Die vielleicht rätselhafteste Komponente des Kosmos rückt in greifbare Nähe: Der japanische Astrophysiker Tomonori Totani von der Universität Tokio will in Daten eines NASA-Weltraumteleskops ein Signal gefunden haben, das zur lange gesuchten Dunklen Materie passen könnte – jener unsichtbaren Substanz, die nach gängiger Lehrmeinung rund 27 Prozent des Universums ausmacht.

In seiner im Fachjournal „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics“ veröffentlichten Studie spricht er von einem „möglichen Durchbruch“. Wenn sich seine Interpretation bestätigt, wäre das ein Meilenstein in der modernen Physik. Sicher ist das allerdings noch nicht – und die Fachwelt reagiert entsprechend vorsichtig.

Unsichtbare Materie: Wie ein Galaxienrätsel die Physik auf den Kopf stellte

Dunkle Materie ist kein spontaner Einfall moderner Kosmologen, sondern ein Konzept mit Geschichte: Schon in den 1930er Jahren fiel dem Schweizer Astronomen Fritz Zwicky etwas Merkwürdiges auf: Galaxien drehen sich so schnell, dass sie nach den bekannten Gesetzen der Physik eigentlich auseinanderfliegen müssten. Die sichtbare Materie – Sterne, Gas, Staub – reicht nicht aus, um sie zusammenzuhalten.

Um dieses Problem zu erklären, schlug Zwicky vor, dass es eine unsichtbare Zusatzmasse geben müsse: eine „Dunkle Materie“. Sie ist unsichtbar, weil sie kein Licht aussendet oder verschluckt, aber sie wirkt über ihre Schwerkraft. Heute gehen Kosmologinnen und Kosmologen davon aus, dass etwa 27 Prozent des gesamten Universums aus dieser unsichtbaren Materie bestehen. Der Rest verteilt sich auf normale Materie – also das, woraus wir, Planeten und Sterne bestehen – und auf Dunkle Energie, eine weitere rätselhafte Komponente.

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Dunkle Materie: Warum Forscher seit Jahrzehnten nach unsichtbaren Teilchen jagen

Seit Jahrzehnten versuchen Forscherinnen und Forscher, die Dunkle Materie nicht nur über ihre Schwerkraft zu „spüren“, sondern sie als echte Teilchen nachzuweisen. Dafür bauen sie unterirdische Experimente tief in alten Bergwerken, damit störende Strahlung aus dem All die Messungen nicht verfälscht. Sie schicken Weltraumteleskope ins All, die nach besonders energiereichem Licht suchen, das bei ungewöhnlichen Vorgängen entstehen könnte.

An riesigen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) bei Genf lassen sie Teilchen dann mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen – in der Hoffnung, dabei neue, bislang unbekannte Teilchen zu erzeugen, die zur Dunklen Materie gehören könnten. Doch bislang ist all das ohne eindeutigen Treffer geblieben. Die Dunkle Materie bleibt der große „blinde Fleck“ der Physik.

Neue Studie: Gammastrahlen aus dem Zentrum der Milchstraße als Spur der Dunklen Materie

An genau dieser Stelle setzt Totanis Arbeit an: Statt neue Experimente zu bauen, schaut er sich noch einmal sehr genau an, was ein bereits fliegendes Observatorium aufgezeichnet hat – das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der US-Raumfahrtbehörde NASA. Dieses Weltraumteleskop misst Gammastrahlen – also die energiereichste Form von Licht, die zum Beispiel bei explodierenden Sternen (Supernovae) oder in der Nähe extrem dichter, schnell rotierender Sternenreste (Pulsare) entsteht.

In den Daten fällt ihm ein ungewöhnliches Muster auf: Besonders energiereiche Gammastrahlen mit rund 20 Gigaelektronenvolt scheinen aus dem Zentrum der Milchstraße zu kommen und bilden von dort aus eine fast kugelförmige Hülle – einen „Halo“ –, wie ihn Theorien für die Verteilung von Dunkler Materie vorhersagen.

In der Pressemitteilung zur Studie heißt es, dass Supernova-Überreste und Pulsare zwar grundsätzlich Gammastrahlen aussenden, ihre Signale aber nicht zu der speziellen Form und Stärke dieses beobachteten Musters passen. Totani argumentiert daher, die Strahlung könne von Teilchen der Dunklen Materie stammen, die im Halo unserer Galaxie zusammenstoßen, sich dabei auflösen und genau diese Gammastrahlen aussenden.

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Dunkle Materie Teilchen: Wie WIMPs die Physik herausfordern

Um das Gammastrahlen-Signal zu erklären, stützt sich Totani in seiner Studie auf eine weitere alte Idee: die sogenannten WIMPs. Das Kürzel steht für „Weakly Interacting Massive Particles“, also „schwach wechselwirkende massereiche Teilchen“. Gemeint sind extrem schwere Teilchen – viel schwerer als Protonen, also die Bausteine von Atomkernen –, die fast nie mit normaler Materie zusammenstoßen und deshalb bisher nicht direkt nachgewiesen wurden. Der Theorie nach können zwei WIMPs aber miteinander kollidieren, sich dabei gegenseitig „vernichten“ und Gammastrahlen aussenden, die einen typischen Energieabdruck hinterlassen.

In der Studie heißt es, dass das gemessene Energiespektrum der Gammastrahlen genau zu solchen Zusammenstößen passt. Totani folgert, die Daten sprächen für Teilchen, die etwa 500-mal so schwer sind wie ein Proton – und damit für eine völlig neue Sorte Materie. In der Pressemitteilung wird er mit den Worten zitiert, wenn seine Analyse stimme, wäre es „nach meinem Wissen das erste Mal, dass die Menschheit Dunkle Materie ‚gesehen‘ hat“. Gemeint ist damit kein Foto, sondern ein indirektes Signal, das sich eindeutig einem neuen Teilchen zuordnen ließe.

Besonders weitreichend ist, was das für die Physik bedeuten würde. In der Studie wird betont, dass diese hypothetischen WIMPs nicht in das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik passen. Dieses Standardmodell beschreibt bislang sehr erfolgreich alle bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Wäre Totanis Interpretation korrekt, bestünde Dunkle Materie aus Teilchen, die in diesem Modell gar nicht vorkommen. Mit anderen Worten: Die Physik, wie wir sie heute kennen, wäre unvollständig – und unser Bild von den Bausteinen der Natur müsste erweitert werden.

Skepsis in der Fachwelt: Kritik an der Dunkle-Materie-Interpretation

So spektakulär Totanis Schlussfolgerungen klingen – in der Fachwelt überwiegt die Vorsicht. Auch er selbst dämpft in der Studie die Erwartungen. Er betont, dass weitere Untersuchungen nötig seien, um weniger spektakuläre Erklärungen auszuschließen. Andere Prozesse im Zentrum der Milchstraße, etwa bislang schlecht verstandene Vorgänge rund um Sterne und Schwarze Löcher, könnten das Gammastrahlen-Signal möglicherweise ebenfalls erzeugen. Außerdem, so Totani, müssten andere Forschungsteams die Fermi-Daten unabhängig von ihm auswerten. In der Physik gilt ein Ergebnis erst dann als robust, wenn mehrere Gruppen mit unterschiedlichen Methoden zu ähnlichen Befunden kommen – und genau das steht hier noch aus.

Externe Expertinnen und Experten formulieren ihre Zweifel offen. Der Astrophysiker Justin Read von der University of Surrey weist gegenüber dem „Guardian“ darauf hin, dass aus kleinen sogenannten Zwerggalaxien bislang keine klaren Gammastrahlen-Signale gemessen wurden, die auf Dunkle Materie hindeuten. Diese Zwerggalaxien gelten eigentlich als besonders gute Testlabore, weil dort weniger störende Strahlungsquellen vorhanden sind. Nach Reads Einschätzung spricht das Fehlen solcher Signale „stark dagegen“, dass Totani wirklich Gammastrahlen aus Dunkler Materie gesehen hat.

Auch Kinwah Wu, theoretischer Astrophysiker am University College London, mahnt zur Zurückhaltung. Er sagt sinngemäß, er schätze die harte Arbeit und das Engagement des Autors, aber für eine „außergewöhnliche Behauptung“ brauche man „außergewöhnliche Beweise“. Diese Hürde sei mit der vorliegenden Studie noch nicht genommen. Wu versteht die Arbeit eher als Ansporn für die Community, die Suche nach Dunkler Materie mit neuen Ideen weiterzutreiben.