Dunkle Materie im Zentrum unserer Heimatgalaxie 

Das Fermi-Teleskop hat eine deutliche Beobachtung einer übermäßigen Gammastrahlungsemission im Zentrum unserer Heimatgalaxie gemacht, die nicht-sphärisch und abgeflacht erschien. Diese als Galactic Centre Excess (GCE) bezeichnete überschüssige Gammastrahlung ist ein mögliches Zeichen für Dunkle Materie, die durch Selbstannihilation schwach wechselwirkender massiver Teilchen (WIMPs) entsteht, einem Kandidaten für Dunkle-Materie-Teilchen. Die im galaktischen Zentrum beobachtete überschüssige Gammastrahlung könnte jedoch auch von alten Millisekundenpulsaren (MSPs) herrühren. Bisher ging man davon aus, dass die GCE-Morphologie aufgrund Dunkler Materie (DM) kugelförmig sei. Eine aktuelle Simulationsstudie zeigt jedoch, dass die Gammastrahlenmorphologie aufgrund von DM deutlich nicht-sphärisch und abgeflacht sein könnte. Das bedeutet, dass sowohl die Hypothese einer Annihilation Dunkler Materie (DM) als auch die von Millisekundenpulsaren (MSPs) für die beobachtete GCE gleichermaßen möglich sind. Die bei der Annihilation dunkler Materie (DM) entstehenden Gammastrahlen hätten ein extrem hohes Energieniveau von etwa 0.1 Teraelektronenvolt (TeV). Herkömmliche Gammastrahlenteleskope können diese hochenergetischen Photonen nicht direkt erfassen. Daher wäre eine Bestätigung des Dunkle-Materie-(DM)-Modells des galaktischen Zentrumsüberschusses (GCE) nach Abschluss von Studien durch Tera-Gammastrahlen-Observatorien wie das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) und das Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) möglich.

Die Geschichte der Dunklen Materie begann 1933, als Fritz Zwicky beobachtete, dass die sich schnell bewegenden Galaxien im Coma-Haufen ohne die Anwesenheit zusätzlicher Materie, die zwar irgendwie unsichtbar ist, aber eine ausreichende Gravitationswirkung ausübt, um ein Auseinanderfallen der Galaxien zu verhindern, nicht zusammenhalten und stabil bleiben können. Für diese unsichtbare Materie prägte er den Begriff „Dunkle Materie“. In den 1960er Jahren leistete Vera Rubin einen grundlegenden Beitrag zu unserem Verständnis der Dunklen Materie. Sie stellte fest, dass die Sterne an den äußeren Rändern der Andromedagalaxie und anderer Galaxien sich mit einer ebenso hohen Geschwindigkeit drehen wie die Sterne in Richtung Zentrum. Bei der gegebenen Summe aller beobachteten Materie hätte die Galaxie auseinanderfliegen müssen, was die Anwesenheit zusätzlicher unsichtbarer Materie erforderlich machen müsste, die die Galaxien zusammenhält und ihre hohe Rotationsgeschwindigkeit bewirkt. Ihre Messungen der Rotationskurven der Andromedagalaxie lieferten die ersten Hinweise auf Dunkle Materie.  

Wir wissen heute, dass dunkle Materie weder mit Licht noch mit elektromagnetischer Kraft interagiert. Sie absorbiert, reflektiert oder emittiert weder Licht noch andere elektromagnetische Strahlung und ist unsichtbar, weshalb sie als dunkel bezeichnet wird. Sie sammelt sich jedoch durch Gravitation und übt eine Gravitationswirkung auf gewöhnliche Materie aus, woraus allgemein auf ihre Präsenz im Weltraum geschlossen wird. Galaxien werden durch die Gravitationswirkung der dunklen Materie im Gleichgewicht gehalten, die 26.8 % der Masse und Energie des Universums ausmacht, wohingegen das gesamte beobachtbare Universum einschließlich der gesamten baryonischen gewöhnlichen Materie, aus der wir alle bestehen, nur 4.9 % des Universums ausmacht. Die restlichen 68.3 % der Masse und Energie des Universums sind dunkle Energie.  

Was dunkle Materie wirklich ist, ist nicht bekannt. Keine Elementarteilchen in der Standard-Modell besitzen die notwendigen Eigenschaften für dunkle Materie. Möglicherweise bilden hypothetische „supersymmetrische Teilchen“, die Partner der Teilchen des Standardmodells sind, dunkle Materie. Möglicherweise existiert eine Parallelwelt dunkler Materie. WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), Axionen oder sterile Neutrinos sind hypothetische Teilchen jenseits des Standardmodells und gelten als aussichtsreichste Kandidaten. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, solche Teilchen nachzuweisen.  

Es gibt mehrere Projekte (wie z. B. XENON-Experiment, DarkSide-20k-Projekt, EURECA-Experiment, und RES-NOVA) werden derzeit zur direkten Detektion von Dunkle-Materie-Teilchen entwickelt. Dabei handelt es sich meist um Flüssig-Edelgas-Detektoren oder kryogene Detektoren, die darauf ausgelegt sind, schwache Signale von Wechselwirkungen zwischen Dunkle-Materie-Teilchen zu erkennen. Trotz vieler neuartiger Ansätze ist es bisher jedoch noch keinem Projekt gelungen, Dunkle-Materie-Teilchen direkt nachzuweisen. 

Indirekte Hinweise auf die Existenz dunkler Materie können durch die Suche nach deren Gravitationseffekten gewonnen werden. So entdeckten Fritz Zwicky und Vera Rubin die Existenz dunkler Materie, indem sie untersuchten, wie Galaxien trotz ihrer im Vergleich zur beobachteten gewöhnlichen Materie unverhältnismäßig hohen Geschwindigkeit zusammengehalten werden. Auch die Gravitationseffekte des Lichtlinseneffekts und die Auswirkungen auf die Bewegung von Sternen im Weltraum können indirekte Hinweise auf die Existenz dunkler Materie liefern. Auch Vernichtungsprodukte (wie Gammastrahlen, Neutrinos und kosmische Strahlung), die entstehen, wenn dunkle Materieteilchen im Weltraum miteinander kollidieren, können auf die Existenz dunkler Materie hinweisen. Ein solcher Ort, an dem dunkle Materie aufgrund von Vernichtungsprodukten dunkler Materieteilchen vorhergesagt wurde, ist das Zentrum unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße.  

Nachweis dunkler Materie im Zentrum unserer Heimatgalaxie Milchstraße  

Es gab Anzeichen für ein übermäßiges diffuses zentrales Mikrowellenleuchten im Zentrum der Milchstraße (MW). Man nahm an, dass das übermäßige Leuchten auf die Synchrotronstrahlung relativistischer Elektronen und Positronen zurückzuführen sei, die bei der Annihilation dunkler Materie im WIMP-Projekt entstehen. Daher wurde ein ausgedehntes diffuses Gammastrahlensignal im Energiebereich von bis zu einigen hundert GeV vorhergesagt. Anschließend erfasste das Fermi-Large Area Telescope (LAT) das Gammastrahlensignal, das als Galactic Centre Excess (GCE) identifiziert wurde. Bald wurde erkannt, dass der Galactic Centre Excess (GCE) auch von alten Neutronensternen (Millisekundenpulsaren) herrühren könnte. Man ging davon aus, dass die Morphologie des GCE von Bedeutung sein würde – ein symmetrisches, kugelförmiges GCE würde auf Gammastrahlenemission aus der Annihilation dunkler Materieteilchen (DM) hinweisen, während eine abgeflachte Morphologie des GCE auf Gammastrahlenemission von Millisekundenpulsaren (MSP) hindeuten würde.  

Umfangreiche Beobachtungen des galaktischen Zentrums der Milchstraße mit dem Fermi-Large Area Telescope (LAT) ergaben eine abgeflachte Asphärizität. Normalerweise würde man die beobachtete Asphärizität mit alten Sternen (MSP) in Verbindung bringen. Eine aktuelle Studie vom 16. Oktober 2025 kam jedoch zu dem Schluss, dass die von den Vernichtungsmodellen alter Sterne (MSP) und Dunkler Materie (DM) vorhergesagten GCE-Morphologien nicht zu unterscheiden sind.   

Um die Verteilung der Dunklen Materie zu untersuchen, simulierten die Forscher die Morphologie von MW-ähnlichen (Milchstraßen-)Galaxien. Sie fanden heraus, dass die Dunkle-Materie-Halos um die Galaxien sowie um deren Zentralregionen selten kugelförmig waren, wie im anisotropen Modell angenommen. Stattdessen ergab die Analyse eine abgeflachte Dichteprojektion der Dunklen Materie für alle Galaxien. Diese nicht-achsensymmetrische Verteilung der Dunklen Materie (DM) zeigte sich auch in der Verschmelzungsgeschichte der Milchstraße in den ersten drei Milliarden Jahren der Geschichte des Universums. Die beobachtete Morphologie der GCE ist über der Zentralregion abgeflacht, was allgemein als charakteristisch für die Verteilung alter Sterne (MSP) gilt. Die neue Studie hat gezeigt, dass die Dunkle Materie (DM) eine ähnliche kastenförmige Verteilung erzeugt. Daher sind sowohl Hypothesen über Annihilationen Dunkler Materie (DM) als auch über Millisekundenpulsare (MSP) für die beobachtete GCE gleichermaßen möglich.   

Ob die beobachtete GCE auf Dunkle Materie (DM) oder Millisekundenpulsare (MSPs) zurückzuführen ist, wird sich zeigen, wenn Gammastrahlen-Observatorien wie das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) und das Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) ihre Tera-Gammastrahlen-Studien abschließen. Die als Annihilationsprodukt von Dunkler Materie (DM) im galaktischen Zentrum entstehenden Gammastrahlen sind ultrahochenergetische Photonen mit einem extrem hohen Energieniveau von etwa 0.1 Teraelektronenvolt (TeV). Herkömmliche Gammastrahlenteleskope können diese hochenergetischen Photonen nicht direkt erfassen. Tera-Gammastrahlen werden ein wichtiges Ziel für zukünftige Gammastrahlen-Observatorien wie CTAO und SWGO sein.  

Diese Studie stellt einen Fortschritt bei der Entdeckung dunkler Materie im Weltraum durch ihre Vernichtungsprodukte dar. Die Existenz dunkler Materie im galaktischen Zentrum müsste jedoch in Zukunft durch ultrahochenergetische Gammastrahlen-Observatorien wie CTAO oder SWGO bestätigt werden. Ein weitaus bedeutenderer Fortschritt in der Forschung zur dunklen Materie wäre der direkte Nachweis beliebiger DM-Partikel.  

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Literaturverzeichnis:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK et al. Neue Ansätze zur Erkennung dunkler Materie. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. und Rossib N. 2024. Direkte Detektion dunkler Materie: eine kritische Überprüfung. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Instituto de Física Corpuscular. Auf der Suche nach dunkler Materie: ein neuer Ansatz zur Entdeckung des Unsichtbaren. 22. August 2025. Verfügbar unter https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM, et al 2025. Fermi-LAT Galactic Center Excess Morphology of Dark Matter in Simulations of the Milky Way Galaxy. Physical Review Letters. 135, 161005. Veröffentlicht am 16. Oktober 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd . Preprint-Version bei arXiv. Eingereicht am 8. August 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Johns Hopkins University. News – Mysteriöses Leuchten in der Milchstraße könnte Hinweis auf dunkle Materie sein. Veröffentlicht am 16. Oktober 2025. Verfügbar unter https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Leibniz-Institut für Astrophysik. News – Milchstraße zeigt Gammastrahlenüberschuss durch Vernichtung dunkler Materie. Veröffentlicht am 17. Oktober 2025. Verfügbar unter https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

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8. Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Verfügbar unter https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Das Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Verfügbar unter https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Tartuer Observatorium. Die dunkle Seite des Universums. Verfügbar unter https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

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