Ist Dunkle Materie die Quelle einer mysteriösen Röntgenemissionslinie?

1. April 2016

Woraus die “Dunkle Materie” besteht, ist bislang noch unbekannt. Ein potentieller Kandidat ist ein theoretisches Teilchen, das "sterile Neutrino". Zwei unabhängige Gruppen von Astronomen entdeckten 2014 eine Röntgenemissionslinie unbekannten Ursprungs bei einer Energie von 3,5 keV in den Röntgenspektren von Galaxienhaufen und im Zentrum der Andromeda-Galaxie. Die Eigenschaften dieser Emissionslinie stehen im Einklang mit vielen Vorhersagen für den Zerfall von Dunkler Materie, wenn man davon ausgeht, das Dunkle Materie aus sterilen Neutrinos besteht. Sollte diese Hypothese jedoch stimmen, müssten alle massereichen Objekte im Universum die gleiche Spektrallinie zeigen. Um diese interessante Vorhersage zu überprüfen, untersuchten Wissenschaftler am MPA und der University of Michigan Galaxien aus zwei Beobachtungskampagnen, fanden dabei aber keine Beweise für eine derartige Linie in den Spektren von Galaxien. Dies legt nahe, dass die mysteriöse 3,5 keV-Emissionslinie wohl nicht von zerfallenden sterilen Neutrinos stammt. Sowohl die Natur der Dunklen Materie als auch der Ursprung dieser Emissionslinie bleiben somit weiterhin rätselhaft.

Astronomen wissen seit vielen Jahren, dass etwa 85% der Materie im Universum aus unsichtbaren, nicht-baryonischen Teilchen besteht, die "Dunkle Materie" genannt werden, da sie in der Regel nur über ihre gravitative Wechselwirkung mit der sichtbaren Materie untersucht werden kann. Die Natur dieser exotischen Materie ist noch unklar; es wurde aber schon eine Reihe von potentiellen Teilchen vorgeschlagen. Einer der beliebtesten Kandidaten ist das "sterile Neutrino".

Eine Studie von 74 Galaxienhaufen, einschließlich des hier gezeigten Perseus-Haufens offenbarte ein mysteriöses Röntgensignal. Mit Daten der beiden Observatorien Chandra und XMM-Newton zeigen die kombinierten Spektren dieser Objekte ein Übermaß an Röntgenintensität rund um etwa 3,56 Kiloelektronvolt (keV), wie in der Grafik links unten gezeigt.

Sterile Neutrinos könnten eine Masse von mehreren keV (etwa 1/100 der Masse des Elektrons) haben, und möglicherweise sind diese Teilchen zahlreich und schwer genug, um damit die Dunkle Materie im Universum zu erklären. Sterile Neutrinos sollten gelegentlich spontan in gewöhnliche Neutrinos zerfallen. Bei diesem Prozess wird ein Röntgenphoton erzeugt, dessen Energie der Hälfte der Masse des zerfallenen sterilen Neutrinos entspricht. Die beste Möglichkeit, um solche Zerfallsphotonen zu detektieren, sind Röntgenbeobachtungen von sehr massereichen Objekten wie Galaxien oder Galaxienhaufen, da solche Objekte die größte Anhäufung von Dunkler Materie im Universum darstellen.

Im Februar 2014 meldeten zwei unabhängige Gruppen von Astronomen innerhalb weniger Tage, dass sie eine nicht identifizierte Röntgenemissionslinie detektiert hatten, die als der spontane Zerfall von sterilen Neutrinos interpretiert werden könnte. Die erste Gruppe (Bulbul et al. 2014) untersuchte eine Stichprobe von 73 Galaxienhaufen, während die zweite Gruppe (Boyarsky et al. 2014), den Perseus-Galaxienhaufen sowie den zentralen Bereich der Andromeda-Galaxie untersuchte. Beide Gruppen detektieren mehr Photonen mit Energien von rund 3,5 keV als von ihren Standard-Modellen für Galaxienhaufen vorhergesagt werden. Außerdem ähnelt das Emissionsprofil um 3,5 keV dem, was Astronomen von einer typischen Emissionslinie erwarten würden.

Die unmittelbare Frage ist nun, ob diese anomale Linie auf den Zerfall von sterilen Neutrinos zurückgeführt werden kann, oder ob es möglicherweise eine andere astrophysikalische Erklärung gibt. Sollte diese Linie in der Tat von zerfallender Dunkler Materie stammen, so sollte es auch möglich sein, sie in anderen, weniger massereichen Objekten zu beobachten - und genau das wollten Mike Anderson und Eugene Churazov am MPA, sowie deren Mitarbeiter Joel Bregman testen.

Diese Grafiken zeigen die zusammengenommenen Röntgenspektren von 81 Galaxien, beobachtet mit dem Röntgenteleskop Chandra (obere Kurve), und 89 Galaxien, beobachtet mit dem Röntgenteleskop XMM-Newton (untere Kurve), sowie zwei unterschiedliche spektrale Modelle. Die rote Kurve ist ein Modell für die Daten, die eine Emissionslinie bei 3,57 keV enthalten, wie sie der Vorhersage für Dunkle Materie entspricht, wenn diese aus sterilen Neutrinos besteht. Die schwarze Kurve ist ein Modell für die Daten, wobei bei 3,57 keV keine Annahme über die Emission gemacht wird. In beiden Fällen beschreibt das zweite Modell die Daten deutlich besser. Dies zeigt, dass die detektierte Emissionslinie aus den Spektren der Galaxienhaufen in den Spektren von Galaxien nicht detektiert wird. Sollte die Linie in der Tat auf sterile Neutrinos zurückzuführen sein, sollte sie sowohl in Galaxien als auch Galaxienhaufen beobachtet werden. Dieses Ergebnis widerlegt somit die Hypothese, dass die Linie durch zerfallene sterile Neutrinos erzeugt wird.

Galaxienhaufen sind der Lage, enorme Mengen an heißem Gas in ihrem Gravitationspotential einzuschließen, das den überwiegenden Anteil der gesamten Röntgenleuchtkraft liefert. Demgegenüber haben Galaxien viel weniger Masse als Galaxienhaufen und können nur viel kühleres Gas mit geringerer Dichte gravitativ binden, das eine viel niedrigere Leuchtkraft hat. Somit haben Galaxien im Vergleich zu Galaxienhaufen keine starke diffuse Emission von Gas bei Photonen-Energien um ~3,5 keV. Das schwächere Signal einer Emissionslinie von zerfallender Dunkler Materie in Galaxien aufgrund der geringeren Anhäufung von Dunkler Materie wird daher durch ein geringeres Hintergrundrauschen (diffuse Emission des heißen Gases) ausgeglichen. Galaxien sind damit eine hervorragende Ergänzung zu Galaxienhaufen bei der Untersuchung von Zerfallsphotonen von sterilen Neutrinos.

Anderson und seine Mitarbeiter trugen die Daten von vielen Galaxien für ihre Studie zusammen: 81 Galaxien, die mit dem Röntgenteleskop Chandra beobachtete worden waren, und 89 Galaxien, die mit dem Röntgenteleskop XMM-Newton beobachtet worden waren. Die gesamte Beobachtungszeit für beide Datensätze betrug etwa ein halbes Jahr. Das Team reinigte jede Beobachtung, entfernte einzelne Röntgenpunktquellen und addierte die Röntgenemission der einzelnen Galaxie auf, wobei jedes Pixel von jedem Bild gewichtet wurde mit dem erwarteten Gehalt an Dunkler Materie an dieser Position. Diese Abschätzung beruht auf einfachen Modellen der Verteilung von Dunkler Materie in der Umgebung von Galaxien.

Abbildung 2 zeigt das Ergebnis für beide Datensätze, Chandra (oben) und XMM-Newton (unten). Wie eine detaillierte Analyse zeigt, sprechen die Daten in beiden Fällen deutlich gegen ein Modell mit einer Emissionslinie bei 3,57 keV aus dem Zerfall von sterilen Neutrinos im Vergleich zu Modellen mit keiner Emissionslinie. Das Energiespektrum basierend auf XMM-Newton-Beobachtungen deutet sogar eine Linie mit negativem Fluss an.

Diese Grafik fasst die Einschränkungen von sterilen Neutrinos als Kandidat für Dunkle Materie aus dieser Arbeit sowie aus einer Reihe von früheren Studien zusammen; die Messungen bei den Galaxienhaufen sich als grüne Punkte (mit Fehlerbalken) eingezeichnet. Die x-Achse zeigt mögliche Neutrinomassen, die y-Achse mögliche Zerfallsraten für sterile Neutrinos (dabei bedeuten höhere Werte, dass ein spontaner Zerfall wahrscheinlicher ist). Sterile Neutrinos als Kandidat für Dunkle Materie sind nur im weißen Bereich möglich, aber die Resultate dieser Arbeit schließen den Bereich über den roten und blauen Kurven aus. Es wäre theoretisch möglich, dass sterile Neutrinos unterhalb der roten und blauen Kurven existieren. (Diese Studie trifft keine Aussage über den Bereich rechts oder links der Kurven.) Zukünftige Röntgenteleskope sind nötig um den Parameterraum weiter einzuschränken.

Diese Studie liefert daher sehr starke statistische Beweise gegen die Hypothese, dass die nicht identifizierte Röntgenemissionslinie in den Spektren von Galaxienhaufen von zerfallenen sterilen Neutrinos stammt. Abb. 3 illustriert die Beschränkungen auf die Massen und Zerfallswahrscheinlichkeiten von sterilen Neutrinos aus dieser Arbeit zusammen mit einer Reihe von Einschränkungen aus früheren Studien. Ein großer Teil des zur Verfügung stehenden Parameterraumes ist nun ausgeschlossen; allerdings gibt es immer noch einen Bereich unterhalb unserer Kurve, wo Dunkle Materie aus sterilen Neutrinos theoretisch existieren könnte.

Wenn die nicht identifizierte Röntgenemissionslinie bei 3,57 keV nun aber nicht durch sterile Neutrinos verursacht wird, was ist dann deren Quelle? Diese Frage wird durch die aktuelle Studie nicht beantwortet, und bleibt nach wie vor Gegenstand einer aktiven Debatte. Eine Möglichkeit besteht in einer atomaren Wechselwirkung wie dem Ladungsaustausch, der möglicherweise im Plasma von Galaxienhaufen 3,5 keV-Photonen erzeugen kann, nicht jedoch in den Halos von Galaxien. Es gibt auch einige exotische Theorien für die Dunkle Materie, wie z.B. „Axion-ähnliche Teilchen“. Dieses theoretische Teilchen benötigt die Wechselwirkung mit magnetischen Feldern um Röntgenemission zu erzeugen. Dies könnte mit dem starken Magnetfeld im Gas von Galaxienhaufen wahrscheinlicher sein als im Gas der Galaxien.

Neue Röntgenteleskope wie das Athena-Observatorium haben eine deutlich bessere spektrale Auflösung und können so hoffentlich mehr Aufschluss über den Ursprung der mysteriösen Röntgenemissionslinie geben.

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