Dunkle Materie könnte dazu beitragen, das Sonnengeheimnis zu lösen

Dunkle Materie mag eines der größten Geheimnisse des Universums sein, aber es könnte helfen, ein Rätsel über die Sonne zu lösen, das Wissenschaftler seit Jahren verwirrt, sagen Forscher.

Das Geheimnis hat mit einer scheinbaren Diskrepanz in der Zusammensetzung der Sonne zu tun, die Wellen in sich aufnimmt, die winzige rhythmische Schwankungen in ihrer Helligkeit verursachen. Durch das Studium dieses Flackerns können Wissenschaftler ihre Zusammensetzung und innere Aktivität besser verstehen. Dieses wissenschaftliche Gebiet - bekannt als Helioseismologie, wenn es sich auf das Studium der Sonne bezieht, und Asteroseismologie, wenn es sich auf das der Sterne bezieht - ähnelt der Seismologie auf der Erde, die Geologen Einblicke in die Innereien dieses Planeten ermöglicht.

Elemente in der Sonne, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, beeinflussen, wie sich Schallwellen im Stern bewegen. Dies bedeutet, dass die Helioseismologie im Prinzip die Häufigkeit jedes Elements mit extrem hoher Genauigkeit messen kann, sagte Aaron Vincent, ein Astroteilchenphysiker an der Durham University in England.

Ein anderer Weg, wie Wissenschaftler die Häufigkeit jedes Elements in Sternen messen können, besteht darin, ihr Licht zu betrachten, da jedes Element einen einzigartigen Fingerabdruck oder ein Lichtspektrum abgibt. Vor etwa zehn Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass das Licht der Sonne darauf hindeutet, dass es etwa 20 bis 25 Prozent weniger Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff hatte, als Wissenschaftler angenommen hatten - ein Befund, der dem widersprach, was die Helioseismologie vorgeschlagen hatte. Bestehende Modelle der Sonne könnten diese Diskrepanz nicht erklären - ein Geheimnis, das Wissenschaftler das Problem der solaren Überfluss nennen, sagte Vincent.

"Trotz eines Jahrzehnts der Anstrengung ist dies ein Rätsel, das noch gelöst werden muss", sagte Vincent. "Bisher hat kein Versuch, Solarmodelle zu modifizieren, um diese Diskrepanz zu erklären, wirklich funktioniert, was die Teilchenphysiker veranlasst hat, nach einer exotischeren Erklärung zu suchen."

Dunkle Materie zur Rettung

Nun schlagen Vincent und seine Kollegen vor, dass dieses Sonnenmysterium durch dunkle Materie gelöst werden könnte, die an und für sich eines der größten Geheimnisse der Wissenschaft ist.

Dunkle Materie ist eine unsichtbare und fast nicht greifbare Substanz, von der man annimmt, dass sie etwa fünf Sechstel aller Materie im Universum ausmacht. Wissenschaftler glauben, dass dunkle Materie aus einem neuen Typ von Teilchen besteht - einer, die im besten Fall mit allen bekannten Kräften des Universums sehr schwach wechselwirkt und meist nur durch die Schwerkraft, die sie ausübt, nachweisbar ist. Viele Eigenschaften von Teilchen der Dunklen Materie - wie ihre Masse und ob sie sich selbst vernichten - bleiben jedoch unsicher. [Dunkle Materie: Die Suche in Bildern]

Im Jahr 2011 untersuchte Vincent, wie Dunkle Materie mit anderen Teilchen interagieren kann, als Co-Autor Pat Scott, ein Forscher am Imperial College London, ihn mit dem Problem der Sonnenüberflusslichkeit vertraut machte.

Vincent dachte, dass dunkle Materie "eine interessante Lösung für das Problem sein könnte", erinnert sich Vincent.

Die Wissenschaftler führten Tausende von Simulationen durch und untersuchten viele verschiedene Modelle, wie dunkle Materie mit der Sonne interagieren könnte. Sie entdeckten eine mögliche Erklärung für das Problem der Sonnenüberflutung: Ein Modell legte nahe, dass dunkle Materie asymmetrisch ist, was bedeutet, dass eine Art von Teilchen dunkler Materie häufiger vorhanden ist als ihr Gegenstück aus Antipartikeln. Normale Materie ist ebenfalls asymmetrisch - zum Beispiel gibt es im Universum viel mehr Protonen als Antiprotonen.

"Ich denke, der interessanteste Aspekt dieser Arbeit ist die mögliche Verbindung zwischen zwei Puzzles", sagte Vincent. Auf der einen Seite gibt es das Problem der Sonnenüberflutung, "das auf eine fehlende Zutat in unserem Verständnis der Sonne hindeutet, und auf der anderen Seite könnte dies der allererste Hinweis auf die Teilchennatur der dunklen Materie selbst sein", sagte er sagte. "Es ist aufregend zu denken, dass wir eine Verbindung zwischen so scheinbar getrennten Bereichen der Physik suchen."

Die spezielle Art von asymmetrischen Teilchen dunkler Materie, die Vincent und seine Kollegen untersuchten, hatte eine besondere Eigenschaft: Je größer sein Impuls, desto wahrscheinlicher war es, dass er mit anderen, normalen Teilchen wechselwirken würde. Dieses Ergebnis legt nahe, dass "Kollisionen, die mehr Energie übertragen, wahrscheinlicher sind, und Kollisionen, die weniger Energie übertragen, werden unterdrückt", sagte Vincent.

Suche nach Dunkler Materie

Die Physiker schlugen vor, dass diese asymmetrischen Teilchen mit dunkler Materie Energie im heißesten zentralen Teil des Sonnenkerns absorbieren könnten. Die Partikel könnten dann zu einem kühleren Teil der Sonne wandern, wo sie diese Energie ablagern könnten, und die Veränderungen in der Sonne, die dies auslösen würden, könnten das Problem der Sonnenüberflutung erklären, sagten die Forscher. Sie sagen voraus, dass solche Teilchen eine Masse von etwa 3 Milliarden Elektronenvolt oder etwas mehr als das Dreifache der Masse eines Protons haben würden. [Dunkle Materie: Was ist das? (Infografik)]

Das asymmetrisch-dunkle-Materie-Modell unterscheidet sich von denen, die nahelegen, dass die Teilchen der Dunklen Materie ihre eigenen Antiteilchen sind, und sich so selbst vernichten, wenn sie miteinander in Kontakt kommen.

"Der Hauptvorteil der asymmetrischen Dunklen Materie besteht darin, dass sich viel davon in der Sonne ansammeln kann, wenn sie durch die dunkle Materiewolke fliegt, die die Milchstraße umgibt", sagte Vincent. "Wenn die dunkle Materie sich selbst vernichten würde, würde die dunkle Materie verschwinden, bevor sie eine beträchtliche Menge Wärme aus dem Kern der Sonne transportiert."

Wenn diese asymmetrische Materie wirklich existiert, "sollten wir kurz davor sein, sie sehr bald zu sehen", sagte Vincent. Er stellte fest, dass es durch Experimente der Dunklen Materie der nächsten Generation, wie SuperCDMS, entdeckt werden könnte, die sich tief unter der Soudan-Mine im Norden von Minnesota befinden, sowie während des nächsten Laufs des Large Hadron Collider, des mächtigsten Atoms Zertrümmerer in der Welt.

Vincent, Scott und ihr Kollege Aldo Serenelli vom spanischen Institut für Weltraumwissenschaften in Bellaterra werden ihre Ergebnisse in einem Papier vorstellen, das zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters angenommen wurde.