Dunkle Materie trotzt nicht der Schwerkraft

Ein Team unter der Leitung der Universität Genf zeigt, dass die geheimnisvollste Komponente unseres Universums den Gesetzen der klassischen Physik gehorchen würde. Aber es gibt noch Zweifel.

Folgt die Dunkle Materie denselben Gesetzen wie gewöhnliche Materie? Das Geheimnis um diese unsichtbare und hypothetische Komponente unseres Universums, die kein Licht aussendet oder reflektiert, ist nach wie vor ungelöst. Ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Genf wollte herausfinden, ob diese Materie im kosmologischen Massstab auf die gleiche Weise fällt wie gewöhnliche Materie oder ob andere Kräfte im Spiel sind. Ihre Ergebnisse, die in Nature Communications veröffentlicht wurden, deuten auf ein ähnliches Verhalten hin, lassen aber die Möglichkeit einer noch unbekannten Wechselwirkung offen. Dieser Durchbruch bringt mehr Licht in die Eigenschaften dieser schwer fassbaren Materie, die fünfmal häufiger vorkommt als gewöhnliche Materie.

Gewöhnliche Materie gehorcht vier bekannten Kräften: der Gravitation, dem Elektromagnetismus, der starken und der schwachen Kraft, wobei die beiden letzteren auf atomarer Ebene wirken. Aber was ist mit der dunklen Materie? Sie ist unsichtbar und schwer fassbar und könnte denselben Gesetzen unterliegen oder einer fünften, noch unbekannten Kraft unterliegen.

Dunkle Materie fällt auf die gleiche Weise in Gravitationsschächte wie gewöhnliche Materie. Die Dunkle Materie fällt wie die Schwarze Materie in die Erde und erfüllt damit die Euler’schen Gleichungen.

Um dieses Geheimnis zu lüften, hat ein Team unter der Leitung der Universität Genf untersucht, ob diese Materie im kosmischen Massstab auf die gleiche Weise wie gewöhnliche Materie in Gravitationsschächte "fällt". Unter dem Einfluss der Gravitation von Himmelskörpern verformt sich der Raum, den unser Universum einnimmt, und erzeugt so sogenannte "Senken". Gewöhnliche Materie - in diesem Fall Planeten, Sterne oder Galaxien - fällt nach bekannten physikalischen Gesetzen wie Einsteins berühmter allgemeiner Relativitätstheorie oder den Eulerschen Gleichungen in diese Senken. Aber was ist mit der dunklen Materie?

um diese Frage zu beantworten, haben wir die Geschwindigkeiten, mit denen sich Galaxien im Universum bewegen, mit der Tiefe der Gravitationssenken verglichen", erklärt Camille Bonvin, assoziierte Professorin am Departement für theoretische Physik der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Koautorin der Studie. ’Wenn die Dunkle Materie keiner fünften Kraft unterliegt, dann werden die Galaxien - die grösstenteils aus Dunkler Materie bestehen - wie gewöhnliche Materie, die nur der Gravitation unterliegt, in die Senken fallen. Wenn es jedoch eine fünfte Kraft gibt, die auf die dunkle Materie wirkt, beeinflusst sie die Bewegung der Galaxien, sodass sie auf andere Weise in die Schächte fallen. Indem wir die Tiefe der Schächte mit der Geschwindigkeit der Galaxien vergleichen, können wir also testen, ob es eine solche Kraft gibt.

Eulersche Gleichungen immer noch gültig

Durch die Anwendung dieses Ansatzes auf die aktuellen kosmologischen Daten kam das Forschungsteam zu dem Schluss, dass die Dunkle Materie auf die gleiche Weise in die Gravitationssenken fällt wie gewöhnliche Materie. Und dass sie somit die Eulerschen Gleichungen erfüllt.

zum jetzigen Zeitpunkt können wir aufgrund dieser Erkenntnisse jedoch nicht ausschliessen, dass es eine unbekannte Kraft gibt. Aber wenn diese fünfte Kraft existiert, kann sie nicht grösser als 7% der Gravitationskraft sein, denn dann wäre sie in unseren Analysen aufgetaucht’, sagt Nastassia Grimm, Erstautorin der Studie und ehemalige Postdoktorandin am Departement für theoretische Physik der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf, die vor kurzem zum Institut für Kosmologie und Gravitation an der Universität Portsmouth gewechselt ist.

Diese ersten Ergebnisse stellen einen grossen Fortschritt bei der Charakterisierung der mysteriösen dunklen Materie dar. Der nächste Schritt wird darin bestehen, zu klären, ob es eine fünfte Kraft gibt, die sie steuert oder nicht. die zukünftigen Daten aus den neuesten Experimenten wie LSST und DESI werden auf eine Kraft reagieren, die nur 2% der Gravitation ausmacht. Sie sollten es uns daher ermöglichen, noch mehr über das Verhalten der dunklen Materie zu erfahren’, schliesst Isaac Tutusaus, Forscher am ICE-CSIC und IEEC, ausserordentlicher Professor am IRAP, Observatoire Midi-Pyrénées, Universität Toulouse, und Koautor der Studie.

Die Forschung wird veröffentlicht in
Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-025-65100-8