
Hat die Cassini-Raumsonde Teilchen dunkler Materie auf dem Jupiter entdeckt?
Seit einiger Zeit beschreiten Astrophysiker einen neuen Weg, um die sagenumwobenen Teilchen der Dunklen Materie aufzuspüren. Dabei geht es darum, Planeten, insbesondere Gasriesen, als riesige Detektoren zu nutzen. So kann man auch Jupiter nutzen, was dank früherer Beobachtungen der Raumsonde Cassini bereits möglich ist. Die Methode könnte in naher Zukunft auch bei Exoplaneten und mit dem James-Webb-Teleskop funktionieren.
Als der Physiknobelpreisträger Hideki Yukawa um 1934 die Existenz des Pi-Mesons vorhersagte, eines Cousins des Photons und des Higgs-Bosons, das die Existenz einer starken Kernkraft verrät, die Protonen und Neutronen in Kernen aneinander klebt, dauerte es bis Ende der 1940er Jahre, bis es in der kosmischen Strahlung entdeckt wurde.
Als das Neutrino und seine Rolle bei der schwachen nuklearen Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen in Form der Beta-Radioaktivität postuliert und seine Beschreibung von zwei weiteren Nobelpreisträgern für Physik ebenfalls in den 1930er Jahren von Pauli bzw. Fermi entwickelt wurde, dauerte es bis in die 1950er Jahre, bis das Neutrino in der von den ersten Kernreaktoren erzeugten Strahlung nachgewiesen werden konnte.
Das Neutrino wurde später als Kandidat für den Titel des Teilchens der Dunklen Materie vorgeschlagen. Es muss nämlich während des Urknalls in großen Mengen entstanden sein, so dass es selbst bei einer sehr geringen Masse, da es nicht für die elektromagnetische Kraft empfindlich ist (es kann kein Licht ausstrahlen), dennoch durch seine Gravitationskraft die Bewegungen von Galaxien und Sternen hätte beeinflussen können, eben so, wie es die berühmte Dunkle Materie und ihre Teilchen postulieren.
Wir wissen nun, dass Neutrinos viel zu leicht sind, um die Existenz der Dunklen Materie zu erklären, die Astrophysiker seit Jahrzehnten indirekt nachgewiesen haben. Dabei gehen sie von der kritikwürdigen Annahme aus, dass Newtons Gesetze der Himmelsmechanik auf der Ebene von Galaxien und darüber hinaus immer noch gültig sind (andernfalls müssten wir vielleicht nicht mehr die Existenz neuer Teilchen annehmen, die die Rolle der Dunklen Materie spielen).
Leider wurde bisher keine der Theorien jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik, die seit Jahrzehnten vorgeschlagen werden, um die Existenz der Teilchen der Dunklen Materie zu erklären (insbesondere die Axionen- und die Supersymmetrietheorie), durch Experimente bestätigt, und auch die Jagd nach diesen Teilchen wurde bisher noch nicht bestätigt.
©PERIMETER INSTITUTE FOR THEORETICAL PHYSICS – DIESE EINFÜHRUNG IN DIE DUNKLE MATERIE ERLÄUTERT DIE VON PHYSIKERN BEOBACHTETEN EFFEKTE AUF DIE GESCHWINDIGKEIT VON STERNEN INNERHALB VON GALAXIEN, ERKLÄRT DIE AKTUELLEN THEORIEN ÜBER DIE ZUSAMMENSETZUNG DER DUNKLEN MATERIE UND ZEIGT VERSCHIEDENE EXPERIMENTE ZUM NACHWEIS VON DUNKLER MATERIE AUF DER ERDE. DIESES VIDEO IST TEIL DES KOSTENLOSEN BILDUNGSPAKETS „DAS GEHEIMNIS DER DUNKLEN MATERIE“ DES PERIMETER-INSTITUTS.
Ionisierte Teilchen, die von Cassini im Infrarotbereich nachweisbar sind.
Die Teilchenastrophysiker haben sich noch nicht entmutigen lassen und suchen weiter nach Möglichkeiten, die Dunkle Materie aufzuspüren. Eine der neuesten vorgeschlagenen Methoden wird in einer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erläutert. Der Artikel von Carlos Blanco und Rebecca Leane ist auf arXiv frei zugänglich.
Beim Lesen wird klar, dass es sich um Beobachtungen handelt, die die Cassini-Sonde am 30. Dezember 2000 beim Vorbeiflug an Jupiter machte. Der Leser oder die Leserin mag über diese Präzision erstaunt sein, da die Cassini-Huygens-Mission normalerweise mit dem Saturn, seinen Ringen und Monden in Verbindung gebracht wird. Aber man sollte sich daran erinnern, dass die kosmischen Navigatoren der Nasa, um schnell genug in die Umlaufbahn um den Saturn zu gelangen (am 1. Juli 2004), den Gravitationseffekt ausgenutzt hatten, indem sie in der Nähe der Venus, der Erde und schließlich des Jupiters vorbeiflogen.

© CARLOS BLANCO, REBECCA K. LEANE – SCHEMA DER H3+ -PRODUKTION AUF DEM JUPITER. DIE AURORAEMISSION VON H3+ IN DER NÄHE DER MAGNETISCHEN POLE ENTSTEHT DURCH DIE AUSSCHEIDUNG VON ELEKTRONEN. EXTREMES SOLARES UV BESTRAHLT DIE TAGESSEITE UND DOMINIERT DIE H3+ -PRODUKTION IN DER NÄHE DES ÄQUATORS. ES IST IN DEN NIEDRIGEN BREITENGRADEN AUF DER NACHTSEITE KEIN SIGNIFIKANTES H3+-VORKOMMEN ZU ERWARTEN. DOCH DIESE SCHLUSSFOLGERUNG SCHEINT BEI EINEM STROM VON NEUTRALEN DUNKLE-MATERIE-TEILCHEN, DIE IN DAS STARKE GRAVITATIONSFELD DES JUPITERS FALLEN, NICHT ZU GELTEN.
Während des Vorbeiflugs konnte Cassini die Nachtseite des Jupiters im Infrarotbereich mit dem Instrument Visual and Infrared Mapping Spec-trometer (Vims) beobachten. Mit diesem Instrument konnte man unter anderem das Vorhandensein und die Menge von Ionen des Moleküls H3+ in der Ionosphäre des Jupiters feststellen, die im Infrarotbereich strahlen können.
Es war bekannt, dass diese Ionen aus neutralen Wasserstoffmolekülen durch den Beschuss mit hochenergetischen kosmischen Teilchen, Sternstrahlung, Planetenblitze, beschleunigte Elektronen in Jupiters Magnetfeldern und ionisierende Strahlung, die von Vulkanausbrüchen auf Jupiters drittgrößtem Mond Io in der Jupiteratmosphäre hinterlassen wurden, erzeugt werden können.
Tatsächlich wurde die Produktion von Trihydrogenkationen aufgrund ionisierender Strahlung erstmals vor fast 40 Jahren durch Spektroskopie in der Jupiteratmosphäre mithilfe der Ultraviolett-Spektrometer der Voyager-Sonden bestätigt. Seitdem wurden die planetaren H3+-Level eingehend untersucht, da sie wichtige Informationen über die Temperatur der Atmosphäre liefern und eine Möglichkeit darstellen, elektrische Ströme, die in der Atmosphäre zirkulieren, nachzuvollziehen.
Was hat das mit dunkler Materie zu tun?
Hohe Ströme dunkler Materie auf riesigen Exoplaneten?
Es stellt sich heraus, dass der Planet Jupiter aufgrund seines starken Gravitationsfeldes einen größeren Strom dunkler Materie auf sich ziehen muss als beispielsweise die Erde. Einige der Theorien zur dunklen Materie besagen, dass sich diese Teilchen gegenseitig vernichten können, indem sie einen Strom ionisierender geladener Teilchen erzeugen. Ohne eine Annihilation anzunehmen, könnte sich der Teilchenstrom der Dunklen Materie durch Kollisionen mit normaler Materie auch wie ein Strom neutraler, aber dennoch ionisierender Teilchen verhalten.
Nach den Berechnungen von Carlos Blanco und Rebecca Leane müsste nach einigen dieser Theorien ein Überschuss dieses ionisierenden Flusses für H3+-Ionen in den niedrigen nächtlichen Breitengraden des Jupiters auftreten, den Vims hätte messen können.
Das Vorhandensein dieser Ionen wurde zwar nachgewiesen, aber bislang kann man die geschätzten H3+-Mengen noch nicht ohne neue Physik erklären, auch wenn dies Einschränkungen für die Eigenschaften der Teilchen der Dunklen Materie ermöglicht.
Das letzte Wort in dieser Hinsicht ist noch nicht gesprochen. Die Instrumente der Juice-Mission der ESA zum Jupiter könnten in den 2030er Jahren für Überraschungen sorgen.
© UT PHYSICS COLLOQUIUM – REBECCA LEANE VON DER STANFORD UNIVERSITY BEI EINEM PHYSIKKOLLOQUIUM IM JAHR 2023. DIE THEORIE ZUR BESCHREIBUNG DER DUNKLEN MATERIE IST NOCH VÖLLIG UNBEKANNT UND ERFORDERT NEUE FORSCHUNGSIDEEN, UM IHRE IDENTITÄT ZU BESTIMMEN. ES STELLT SICH HERAUS, DASS STERNE UND PLANETEN IDEALE SPIELFELDER FÜR DIE ENTDECKUNG DER DUNKLEN MATERIE SEIN KÖNNEN. UM EINE EINIGERMASSEN ORIGINALGETREUE DEUTSCHE ÜBERSETZUNG ZU ERHALTEN, KLICKEN SIE AUF DAS WEISSE RECHTECK IN DER UNTEREN RECHTEN ECKE. DANN SOLLTEN DIE ENGLISCHEN UNTERTITEL ERSCHEINEN. KLICKEN SIE DANN AUF DIE MUTTER RECHTS NEBEN DEM RECHTECK, DANN AUF „UNTERTITEL“ UND SCHLIESSLICH AUF „AUTOMATISCH ÜBERSETZEN“. WÄHLEN SIE „DEUTSCH“.
Darüber hinaus glauben die beiden Forscher, dass ihre Methode auch auf jovanische Exoplaneten angewendet werden kann. Obwohl diese Planeten viel weiter von der Erde entfernt sind als Jupiter, sind viele von ihnen deutlich größer, was sie potenziell zu besseren Sammlern von Dunkler Materie macht. Diejenigen im Zentrum unserer Galaxie, wo die Dichte der Dunklen Materie höher sein sollte, sollten in der Lage sein, die Dunkle Materie noch effektiver einzufangen. Dies lässt Carlos Blanco und Rebecca Leane zu dem Schluss kommen, dass das James-Webb-Weltraumteleskop oder das Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop, die die Spektren der Atmosphären dieser Exoplaneten untersuchen, auch hier zu einer Entdeckung führen könnten.
Redaktion: Futura, verfasst von LAURENT SACCO.
Titelbild: © KI BING Designer Microsoft Corporation – Ein Blick von Cassini, der laut KI dunkle Materie auf Jupiter untersucht.
2. Abbildung: © CARLOS BLANCO, REBECCA K. LEANE

Marlene ist seit 25 Jahren Fotografin und Künstlerin. Ihre Leidenschaft für Sprachen und interkulturelle Kommunikation entwickelte sie durch internationale fotojournalistische Arbeiten. Heute nutzt sie ihre weitreichende Erfahrung auch als Korrekturleserin und übersetzt journalistische Artikel vom Französischen ins Deutsche. Marlene stellt sicher, dass jeder Text seine Authentizität bewahrt und an die sprachlichen sowie kulturellen Besonderheiten des deutschsprachigen Publikums angepasst wird.

