Gammastrahlen - das hellste und stärkste Licht im Universum - segeln unsichtbar über den Himmel. Diese außergewöhnlich energetischen Strahlungsstöße blitzen aus Supernova-Explosionen auf, funken von kollidierenden Neutronensternen aus und spucken aus den hungrigsten Schwarzen Löchern.
Wenn Astronomen sie mit Gammastrahlenteleskopen fangen können, zeigen diese unsichtbaren Feuerwerke auf einige der explosivsten Strukturen des Universums. Jetzt hofft ein internationales Forscherteam, dass diese allmächtigen Strahlen auch zu etwas viel Seltsamerem und Schwer fassbarerem führen könnten - der unsichtbaren Substanz, die als dunkle Materie bekannt ist.
In einer neuen Studie, die zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters angenommen und in der Preprint-Datenbank arXiv detailliert beschrieben wurde, untersuchten die Forscher den sogenannten "ungelösten Gammastrahlenhintergrund" - also alle schwachen und mysteriösen Gammastrahlen Signale, die nach bekannten Quellen wie Schwarzen Löchern und Supernovae übrig bleiben, werden berücksichtigt. Als das Team eine Karte ungelöster Gammastrahlen mit einer Karte der Materiedichte im selben Abschnitt des Universums verglich, stellte es fest, dass die Strahlen genau auf schwerkraftschwere Bereiche ausgerichtet waren, in denen sich dunkle Materie voraussichtlich verstecken würde.
Laut Daniel Gruen, Co-Autor der Studie, deutet diese Korrelation darauf hin, dass dunkle Materie weitgehend für den schwachen Gammastrahlenhintergrund des Universums verantwortlich sein könnte. Wenn dies der Fall ist, könnten Astronomen wichtige Hinweise auf die Eigenschaften der mysteriösen Substanz erhalten.
"Dunkle Materie könnte wie ein radioaktiver Kern zerfallen und dabei Gammastrahlen erzeugen", sagte Gruen, Astrophysiker am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums der Stanford University in Kalifornien, gegenüber Live Science. "Oder vielleicht kollidieren mehrere dunkle Materieteilchen und erzeugen Gammastrahlen, wenn sie interagieren."
Wellen im Dunkeln
Es wird angenommen, dass dunkle Materie etwa 85% der Masse des Universums ausmacht, obwohl die Forscher immer noch nicht sicher sind, was oder wo sie sich befindet. Für moderne wissenschaftliche Instrumente völlig unsichtbar, wurde das Zeug nie erfolgreich entdeckt.
"Wir kennen jedoch einige Eigenschaften der Dunklen Materie", sagte Gruen. "Wir wissen, dass es sehr häufig ist, und wir wissen, dass es eine Masse hat, die gravitativ mit anderer Masse interagiert."
Mit anderen Worten, obwohl dunkle Materie unsichtbar ist, wirkt sie sich durch ihre starke Schwerkraft sichtbar auf das Universum aus. Einer dieser Einflüsse ist als Gravitationslinse bekannt - im Wesentlichen, wie das Licht entfernter Galaxien durch die Schwerkraft der massiven Objekte, die es auf seinem Weg zur Erde passiert, verzerrt wird.
Für die neue Studie untersuchten die Forscher eine Karte der Gravitationslinsen in einem bestimmten Teil des Universums, die von einem Projekt namens Dark Energy Survey (DES) zusammengestellt wurde. Die Kamera der Umfrage, die auf einem riesigen Teleskop in Chile montiert ist, hat ein Jahr lang hochauflösende Bilder von Hunderten Millionen Galaxien aufgenommen und sich darauf konzentriert, wo entferntes Licht durch Taschen mit starker Schwerkraft am meisten verformt wird. Während einige der massereichsten Regionen auf der resultierenden Karte bekannten Galaxien entsprechen, zeigen andere kräftige Taschen wahrscheinlich den verborgenen Einfluss der dunklen Materie bei der Arbeit, sagte Gruen.
Um besser zu verstehen, wie dieser Einfluss aussehen könnte, verglichen die Forscher diese Massenkarte mit einer Karte der Gammastrahlenemissionen, die in den letzten neun Jahren vom Fermi-Gammastrahlenteleskop der NASA in derselben Region erfasst wurden. Mithilfe eines mathematischen Modells entfernte das Team alle Strahlung, die aufgrund ihrer Energieabgabe, Entfernung und verschiedener anderer Faktoren definitiv an "weltliche" Quellen wie Schwarze Löcher und Supernovae gebunden werden könnte.
Jetzt, da nur noch die mysteriösen "ungelösten" Gammastrahlenquellen übrig waren, verglich das Team beide Karten. Sie sahen eine deutliche Überlappung zwischen Regionen mit hoher Gammastrahlung und Regionen mit viel Masse.
"Dies ist die erste Studie, bei der wir sicher waren, dass bei vielen Gammastrahlen auch viel dunkle Materie vorhanden ist", sagte Gruen.
Wenn dunkle Materie wirklich Gammastrahlen aussendet, kann dies ernsthaft einschränken, wie sie erkannt wird und woraus sie tatsächlich besteht. Es ist jedoch immer noch möglich, dass der schwache Gammastrahlenhintergrund auf der Fermi-Karte nichts mit dunkler Materie zu tun hat, sagte Gruen. Das mathematische Modell, mit dem die Forscher diese "weltlichen" Quellen für Gammastrahlenemissionen (wie Schwarze Löcher) aussortierten, basiert auf einigen Annahmen über die Eigenschaften dieser Objekte. Wenn diese Annahmen falsch sind, könnten entfernte Schwarze Löcher dafür verantwortlich sein viel mehr von dem mysteriösen Gammastrahlenhintergrund als die Forscher erklärt haben.
"Vielleicht ist dieses Modell unvollständig, und vielleicht lernen wir tatsächlich etwas über diese schwarzen Löcher, die Gammastrahlen emittieren", sagte Gruen. "Vielleicht leben diese Schwarzen Löcher in massereicheren Galaxien als wir dachten."
Weitere Daten zu Gammastrahlen und Gravitationslinsen helfen dem Team, das Modell zu verbessern und die Karten des Universums besser zu interpretieren. Seit dem Abschluss der Studie hat das DES sechsmal mehr Informationen über die Massenverteilung des Universums gesammelt, und der FERMI-Satellit bleibt eines von vielen Teleskopen, die Gammastrahlenexplosionen verfolgen. Eine Folgestudie, die noch klarere Ergebnisse zeigt, sollte in den nächsten Jahren folgen, sagte Gruen.
