Sternbewegungen geben Hinweise auf die Verteilung der Dunklen Materie

Obwohl die Dunkle Materie den größten Teil der Materie im Universum ausmacht, bleibt ihre Zusammensetzung eine der größten offenen Fragen der Physik. Ein indirekter Hinweis auf ihre Teilchennatur lässt sich daraus ableiten, wie stark sie auf kleinen Skalen – beispielsweise in Zwerggalaxien und noch kleineren Strukturen – gebündelt ist. Die kleinsten dieser Klumpen sind mit wenigen oder gar keinen Sternen verbunden und können nicht direkt beobachtet werden. Ihre Schwerkraft kann jedoch Sternenströme beeinflussen – das sind dünne Streifen von Sternen, die wie empfindliche Fühler wirken können. WissenschaftlerInnen am MPA haben nun gezeigt, dass sich durch die Analyse der Position und Bewegung der Sterne in Sternenströmen die Skala, auf der die Dunkle Materie aufhört, zu klumpen, um ein Vielfaches genauer bestimmen lässt. Dabei wird eine Empfindlichkeit erreicht, die mit den derzeit fortschrittlichsten Methoden vergleichbar ist.

Auf den größten Skalen funktioniert ein einfaches Modell der Dunklen Materie gut: eine kalte, sich langsam bewegende Substanz, deren Schwerkraft gewöhnliche Materie zusammenzieht, um Galaxien zu bilden. Während dieses führende Modell einen Großteil dessen erklärt, was Teleskope und Observatorien beobachten, lässt es eine grundlegende Frage offen: Was ist dunkle Materie? Es gibt viele konkurrierende Antworten, die von massereichen Elementarteilchen über kleine Schwarze Löcher bis hin zu ultraleichten, wellenartigen Teilchen reichen. All diese Theorien reproduzieren dasselbe Universum auf großer Skala. Auf kleinen Skalen gehen die Modelle jedoch auseinander: Einige sagen voraus, dass sich dunkle Materie weiterhin zu immer kleineren Klumpen zusammenballt, während andere eine Untergrenze vorhersagen – eine Mindestgröße, unterhalb derer sich Klumpen schlichtweg nicht bilden können. Die Ermittlung dieser Untergrenze würde einen entscheidenden Hinweis auf die Identität der Dunklen Materie liefern. 

Das Problem ist jedoch, dass die kleinsten Klumpen nicht genug gewöhnliche Materie ansammeln können, um Sterne zu bilden. Sie sind für uns im Wesentlichen unsichtbar. Ihre einzige Spur ist die Schwerkraft. Die Milchstraße bietet hier einen natürlichen Detektor. Im Laufe der kosmischen Zeit ist sie gewachsen, indem sie viele kleinere Sternhaufen und Zwerggalaxien absorbierte. Wenn einer davon allmählich durch die Schwerkraft unserer Galaxie auseinandergerissen wird, verteilen sich seine Sterne entlang seiner Umlaufbahn und bilden einen langen, schmalen Strom. Da sich die Sterne auf derselben Umlaufbahn bewegen, bleibt der Strom „dynamisch kalt“. Dadurch reagiert er äußerst empfindlich auf kleine Störungen. Wenn ein Klumpen dunkler Materie in der Nähe vorbeizieht, verschiebt dessen Schwerkraft die Sterne geringfügig und hinterlässt so eine Spur. Der GD-1-Strom ist eines der auffälligsten Beispiele dafür. Er weist kleine Strukturen und Lücken auf, die sich nicht ohne Weiteres durch einen homogenen Halo aus dunkler Materie erklären lassen.

In den meisten frühen Studien wurden diese Klumpen einzeln modelliert und eine Struktur wie eine Lücke beispielsweise als Spur eines einzelnen vorbeiziehenden Objekts interpretiert. Wenn jedoch Klumpen mit geringer Masse so häufig sind, wie es das Standardmodell der Kosmologie vorhersagt, wird ein Strom kontinuierlich von einer ganzen Population solcher Klumpen gestört, wobei sich deren Auswirkungen überlagern. In der Folge verlagerte sich der Fokus auf die kollektive Beschreibung der Klumpen. Viele Methoden auf Populationsebene lösen jedoch nach wie vor jede einzelne Begegnung auf und summieren sie. Dies ist bei geringen Massen, wo Begegnungen am zahlreichsten sind und konkurrierende Modelle der Dunklen Materie am stärksten voneinander abweichen, sehr aufwendig.

Die neue Studie von Noemi Ana Montel und Fabian Schmidt am MPA verzichtet gänzlich darauf, einzelne Begegnungen aufzulösen. Stattdessen stellen sie die gesamte Population als statistisches Muster von Dichtefluktuationen auf jeder Skala dar. Dieses Feld überträgt viele kleine Geschwindigkeitsänderungen auf die Sterne, die sich allmählich aufbauen, anstatt als eine einzige scharfe Ablenkung aufzutreten. Der Rechenaufwand steigt nicht mehr mit der Anzahl der Klumpen und jedes Dunkle-Materie-Modell kann durch Einsetzen eines anderen Musters getestet werden. Zudem quantifiziert das Modell, wie empfindlich das Erscheinungsbild des Stroms auf eine kleine Änderung einer beliebigen Eigenschaft der Dunklen Materie reagiert. Dadurch kann das neue Rahmenkonzept bereits vor Vorliegen der Daten anhand von Prognosen vorhersagen, wie genau eine zukünftige Beobachtung die einzelnen Eigenschaften messen könnte.

Der wesentliche Fortschritt ergibt sich aus den Bewegungen der Sterne. Frühere Analysen stützten sich hauptsächlich auf die Dichte des Stroms, d. h. darauf, wie die Sterne entlang seiner Länge verteilt sind. Es ist jedoch bekannt, dass dieselben Störungen auch ein Muster in den Geschwindigkeiten der Sterne hinterlassen, welches sowohl ihre Bewegung am Himmel als auch ihre Bewegung auf uns zu oder von uns weg beeinflusst. Die neue Studie bezieht kinematische Informationen in die Vorhersage ein und zeigt, dass die Verwendung der Geschwindigkeiten von Sternen zusätzlich zu ihren Positionen die Bestimmung der Grenzskala um den Faktor drei bis fünf verbessert. Konkret lässt sich die Abgrenzung allein anhand der Abstände der Sterne auf einen Faktor von etwa zehn eingrenzen, während die Einbeziehung der Bewegungen diesen Faktor auf etwa zwei verringert. Darüberhinaus verbessern sich die Einschränkungen bei einem älteren Strom, der über einen längeren Zeitraum gestört wurde.

Bei diesen Zahlen handelt es sich um Vorhersagen, nicht um Messungen. Dennoch ist die Schlussfolgerung von großer Bedeutung: Ein einziger, genau vermessener Strom könnte das Verhalten der Dunklen Materie auf kleinen Skalen ebenso gut eingrenzen wie die derzeit führenden Methoden – beispielsweise die Gravitationslinsenwirkung entfernter Quasare und die Zählung kleiner Satellitengalaxien in der Milchstraße (siehe auch diese Pressemeldung von 2025). Da ein Strom eine rein lokale, gravitationsbasierte Sonde ist, sind seine Fehlerquellen unabhängig von denjenigen dieser anderen Methoden, und bieten somit eine wertvolle Gegenprüfung.

Die dafür erforderlichen Daten stehen nun dank der präzisen Positionsbestimmungen des Gaia-Satelliten, der Geschwindigkeitsmessungen der DESI-Durchmusterung und spezieller Instrumente wie dem VIA-Projekt zur Verfügung. Zwei Herausforderungen bleiben jedoch bestehen: die Trennung der durch sichtbare Strukturen wie Gaswolken und den galaktischen Balken verursachten Störungen von denen, die durch Dunkle Materie verursacht werden, sowie die Behandlung der seltenen nahen Vorbeiflüge der größten Klumpen, die außerhalb des hier diskutierten Bereichs schwacher Akkumulation liegen.