Dunkle Materie ist ne spannende Sache. Wir können sehen, wie dunkle Materie die Bahnen von Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen beeinflusst – aber die dunkle Materie selbst können wir nicht sehen. Um endlich herauszufinden, aus was sie denn nun besteht (oder ob sie vielleicht doch nicht existiert?) laufen zur Zeit jede Menge Experimente. Der große Teilchenbeschleuniger LHC am europäischen Kernforschungszentrum CERN sucht nach Teilchen, aus denen die dunkle Materie bestehen könnte; andere Experimente haben sogar schon viel versprechende Messungen gemacht und auch die Satelliten im All scheinen auf einem guten Weg zu sein. Und jetzt können wir vielleicht auch noch unsere Sonne als Meßinstrument benutzen…

Stephen West von der Royal Holloway Universität London hat eine interessante Theorie aufgestellt: die Sonne hat einen Kern aus dunkler Materie. Bzw. hat sich im Laufe der Zeit dunkle Materie im Sonnenkern angereichert. Und das liegt daran, dass die Sonne sich um das Zentrum unserer Milchstrasse bewegt – in einem Abstand von etwa 25000 Lichtjahren umkreist sie es etwa alle 230 Millionen Jahre einmal. Und dabei sollen Teilchen der dunklen Materie von der Sonnenschwerkraft eingefangen werden und sich in ihrem Kern ansammeln.

Klingt spannend – aber was fängt man mit so einer Theorie an? Kann man das auch irgendwie überprüfen? Ja, meint West überraschenderweise. Er und seine Kollegen haben untersucht, wie die dunkle Materie die Sonne beeinflusst. Sie senkt zum Beispiel die Temperatur des Kerns. Ok – das ist schonmal gut – aber die Kerntemperatur der Sonne können wir leider weder direkt noch sehr genau messen. Aber die dunkle Materie soll auch die Anzahl der Neutrinos verringern, die die Sonne aussendet. Und die kann man – auch wenn es sehr aufwendig und die Technik bei weitem noch nicht ausgereift ist – schon messen. Es wird also schwierig, so einen Einfluss der dunklen Materie zu messen; ist aber nicht prinzipiell unmöglich. Und vor hat man nun eine neue und unabhängige Methode um Ergebnisse von Teilchenbeschleunigern und anderen Experimenten zu bestätigen.

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Das Innere des Neutrino-Detektors Super-Kamiokande

Natürlich ist die gesamte Theorie spekulativ. Um die Auswirkungen der dunklen Materie auf die Sonne zu berechnen muss man wissen, aus was die dunkle Materie besteht. Das wissen wir aber nicht – wir haben nur verschiedene Ideen. Auf einer davon – den WIMPS (Weakly Interactive Massive Particles) – basiert die Arbeit von West. Die verschiedenen Berichte über den “dunklen Kern” sind erstaunlich zurückhaltend, was die eigentlich Quelle der Arbeit angeht. Die einzige passende Arbeit die ich bei arxiv (wo West die Ergebnisse veröffentlicht haben soll) gefunden habe, ist ein Artikel mit dem Titel “Light WIMPs in the Sun: Constraints from Helioseismology”. Das Thema passt – aber er ist schon am 27. Mai erschienen und Erstautor ist Daniel Cumberbatch von der Universität Sheffield. Nicht einmal die letzte Woche von der Royal Holloway Uni herausgegebene Nachricht ist da gesprächiger…

Naja – in der oben verlinkten Arbeit sprechen die Autoren jedenfalls von “light dark matter candidates”; also den schon erwähnten WIMPS (Nachtrag: so wie es aussieht, ist diese spezielle Art von WIMPS experimentell allerdings schon fast völlig widerlegt worden). In ihrem Modell haben sie eine “intrinsic asymmetry that prevents annihilations after capture by the Sun”. Um nun genau zu erklären, wie diese eingebaute Asymmetrie der Teilchen aussehen soll verstehe ich leider zu wenig von Teilchenphysik… (oder bedeutet das einfach nur, dass die Teilchen der dunklen Materie nicht ihre eigenen Antiteilchen sind und sich daher nicht selbst auslöschen können?) Egal – viel interessanter fand ich, was die Autoren am Schluß des Artikels geschrieben haben:

“We note finally that for solar mass stars near the centre of the Galaxy, where the WIMP density is enhanced by up to some 6 orders of magnitude relative to that in the solar neighbourhood, the effect of the redistribution of energy in the stellar core may generate a significant reduction of the main sequence lifetimes.”

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Kommentare (16)

  1. #1 Michael
    26. Juli 2010

    Ich habe mich schon immer gefragt, was dunkle Materie eigentlich davon abhaelt, sich in relativ kurzer Zeit zu sammeln und in schwarzen Loechern zu enden. Bei baryonischer Materie ist der Elektromagnetismus die Kraft, die der Gravitiation entgegenwirkt. Aber dunkle Materie interagiert ja nicht mit dieser. Interagiert dunkle Materie mit sich selbst (abgesehen von der Gravitation)?

  2. #2 Alexander Thomas
    26. Juli 2010

    Hi,

    erinnert mich an die Xeelee-Romane von Stephen Baxter, in denen er Beschreibt, wie intelligente Dunkle Materie die Sonnen kuenstlich abkuehlt um sie schneller altern zu lassen. Wer ist also als erstes auf die Idee gekommen, oder frei nach Riccola: “Werr chats errfunden?” 🙂 https://secure.wikimedia.org/wikipedia/de/wiki/Stephen_Baxter#Das_Xeelee-Universum

    cu Alexander Thomas

  3. #3 Ludmila
    26. Juli 2010

    Aber light WIMPs hätte man schon längst in Teilchenbeschleunigern nachweisen müssen. Deswegen sucht das LHC ja nach heavy WIMPs. Weil’s die “light” nicht zu geben scheint. Sei’s drum. Da wird bestimmt das eine oder andere Gegenpaper zu rauskommen.

    DAS wird spannend und lustig. Zumindest wenn man nicht selbst betroffen ist 😉

  4. #4 Florian Freistetter
    26. Juli 2010

    @Ludmila: Vielleicht hab ich das “light” auch falsch verstanden und es sind die leichteren Exemplare der heavy WIMPS gemeint 😉 Naja – mal abwarten, ob sich da noch was tut…

  5. #5 Ludmila
    26. Juli 2010

    @Florian: Hast Du nicht. Genau ist der Knackpunkt dieser Hypothese.
    http://scienceblogs.com/startswithabang/2010/07/how_good_is_your_theory.php

  6. #6 Florian Freistetter
    26. Juli 2010

    @Ludmila: Ah – danke für den Link! Den Artikel kannte ich noch nicht. Hmm – na dann bin ich wirklich schon gespannt, was die Leute da noch für weitere Artikel nachschieben…

  7. #7 omnibus56
    26. Juli 2010

    Hi Florian,

    hast Du einen kurzen Hinweis, warum die dunkle Materie die Kerntemperatur absenken sollte? IMO wäre jede hypothetische “Weak Interaction”, die Energie aufnehmen könnte, viel kleiner als der Effekt, der durch höhere Gravitation entstände (Erhöhung des Drucks, dem dann mittels einer erhöhten Reaktionsrate entgegen gewirkt wird/werden muss).

    Oder sehe ich das jetzt zu simpel?

    Gruß
    Omnibus56

  8. #8 Florian Freistetter
    26. Juli 2010

    @omnibus: Hmm – schwierig zu erklären, so kurz. Da muss man ja den kompletten Wärmetransport im Stern simulieren und das ist nicht trivial. Wenn man die Grundparameter ändert, dann ändert sich an ziemlich vielen Stellen was. Du kannst ja mal in den Artikel schauen (http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1005/1005.5102v1.pdf) Abschnitt 3.

  9. #9 theantichristhimself
    26. Juli 2010

    kurze laienhafte off-topic frage, die sich mir schon länger stellt und die mir z.B. die Hubble-Aufnahmen oder darauf basierende 3D-Simulationen auch nicht wirklich klar machen:

    gibt es im universum so etwas wie richtungen? d.h. macht es einen unterschied ob ich mich von der erde nach “unten”, “oben”, “links” oder “rechts” wegbewege? gibt es objekte die von der erde jeweils z.B. 10 Lichtjahre entfernt sind, aber in verschiedenen “Richtungen”?

    wie kann ich mir den “raum” im weltraum vorstellen? ich habe gelesen, dass es eher nicht zutrifft, dass wir uns im inneren einer kugel (universum) befinden, sondern es eher so zu sehen ist, wie eine 3-dimensionale oberfläche. d.h. theoretisch kommen wir, egal in welche richtung wir uns bewegen, irgendwann wieder zum ausgangspunkt zurück und das universum kann somit keinen mittelpunkt haben.

    ist das bis hierhin soweit richtig?

    a) nur leider kann ich mir, sollte dies so stimmen, so was von überhaupt nicht bildlich vorstellen. gibt es da visualisierungen?

    b) wenn dem so ist kann man daraus schlussfolgern, dass das sichtbare universum, die “oberfläche” einer 4-dimensionalen sphäre ist?

    c) was hat das mit der dunklen materie zu tun? antwort: nichts 😉 sorry. aber vielleicht hast du ja ein paar links für mich, die mir das mal erklären, florian.

  10. #10 omnibus56
    26. Juli 2010

    @Florian:
    Danke für den Link. Werde es mir anschauen.

    Meine Vorstellung ging so: Selbst große Mengen dunkle Materie wechselwirken mit keiner Strahlung (weder EM noch Partikel) in einer detektierbaren Weise. Nur durch die Gravitations-WW (GWW) in den Galaxien können wir indirekt auf ihre Anwesenheit schließen. Wie sollte da in der (irgendeiner) Sonne eine andere als die GWW eine (messbare) Rolle spielen? Die GWW würde aber IMO zu einer Temperaturerhöhung führen müssen, damit das Gleichgewicht aus Gravitation und Strahlungsdruck gegeben ist.

    Vielleicht bin ich ja nach dem Lesen schlauer. 😉 Nochmal danke!

  11. #11 perk
    26. Juli 2010

    @theantichristhimself

    http://atlasoftheuniverse.com/12lys.html das ist 3d und ich finds ziemlich gut was die auswahl und größenordnungen angeht.. einfach rauszoomen und entdecken

  12. #12 Anne
    27. Juli 2010

    omnibus56·
    26.07.10 · 23:16 Uhr

    Meine Vorstellung ging so: Selbst große Mengen dunkle Materie wechselwirken mit keiner Strahlung (weder EM noch Partikel) in einer detektierbaren Weise. Nur durch die Gravitations-WW (GWW) in den Galaxien können wir indirekt auf ihre Anwesenheit schließen. Wie sollte da in der (irgendeiner) Sonne eine andere als die GWW eine (messbare) Rolle spielen? Die GWW würde aber IMO zu einer Temperaturerhöhung führen müssen, damit das Gleichgewicht aus Gravitation und Strahlungsdruck gegeben ist.

    Mal angenommen die dunkle Materie fällt tatsächlich in die Sonne. Man kann doch annehmen das es im Innern der Sonne turbulent ist und ein ständiger Materietransport stattfindet. Man kann wohl auch annehmen das zwei Teilchen nicht gleichzeitig an ein und dem selben Ort sein können und das wohl auch für dunkle Materie in Wechselwirkung mit normaler Materie gilt. Folglich würde die dunkle Materie doch die mittlere Dichte der normalen Materie in der Sonne verdünnen und zumindest lokal die Wahrscheinlichkeit von Fusionsreaktionen verringern. Außerdem halte ich es für möglich das die Reaktion schon alleine deswegen gekühlt wird weil sich die mittleren Wegstrecken der Reaktionspartner erhöhen. Ist das nun völliger Quatsch?

  13. #13 antichrist
    27. Juli 2010

    @perk: danke für den link. sehr interessant.

    das erklärt aber irgendwie immer noch nicht mein prinzipielles geometrisches problem. wenn ich komplett rauszoome, sehe ich wieder eine 3-d Kugel, “in deren Innenseite” wir uns befinden (ich weiss, es gibt keine Aussenseite) In so einer Struktur, müsste aber doch prinzipielle der mittelpunkt des ganzen zu errechnen sein? (vorrausgesetzt natürlich, wir kennen die genaue ausdehnung in alle richtungen)

    ausgehend von der oberflächenanalogie heisst das dann aber, eigentlich ist die kugel äh.. 4 dimensional oder wie? (von aussen betrachtet) ach, keine ahnung ob klar wird, was ich eigentlich meine. mein kopf macht immer irgendwelche knoten, wenn ich versuche das zu visualisieren. könnte mit meiner schlechten geometrienote in der schule und meinem schlechten räumlichen verständnis hochsignifikant korrelieren 😉

    will euch nicht weiter abhalten. zurück zur dunklen materie. sehr spannendes thema.

  14. #14 Raphael
    27. Juli 2010

    Das klingt alles sehr interessant, wenn man bedenkt das man mit diesen Forschungen erst am Anfang ist. Was werden wir in einigen Jahren an erkenntnissen gewonnen haben?

    Es bleibt spannend!!

  15. #15 Snooc
    27. Juli 2010

    Interessanter Artikel.

    Es gibt übrigens noch einen anderen Kandidat für dunkle Materie die in der Sonne entstehen können nämlich die Axionen. Und das wird auch am CERN untersucht mit einem Magneten der auf die Sonne “zielt” beim CAST-Experiment (auch wenn man bislang noch nichts gefunden hat).

  16. #16 Adrian
    27. Juli 2010

    @Michael: Mir hingegen ist nicht klar, warum sich dunkle Materie sammeln sollte. Um von der Sonne eingefangen zu werden, müsste sie ja ihren Drehimpuls abgeben, aber wie soll sie das tun? Normale Materie kann ihren Drehimpuls dissipieren indem sie Strahlung abgibt, deshalb leuchten Sterne. Potentielle Energie wird in elektromagnetische umgewandelt. Dunkle Materie kann das nicht.