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01.09.2016:
Eine Spur der Dunklen Materie verliert sich

Ein mysteriöses Röntgensignal dürfte von Schwefel-Ionen stammen, die Elektronen einfangen

Ladungsaustausch statt Dunkler Materie: Ein bislang nicht erklärbares Röntgensignal aus Galaxienclustern könnte entstehen, wenn hochgeladener Schwefel ein Elektron aufnimmt. Dabei nähert sich ein Schwefelkern (S16+) einem Wasserstoffatom (A) und zieht das Elektron an(B), das in einem hohen Energieniveau von S15+ landet (C) und unter Abgabe von Röntgenlicht in den Grundzustand übergeht (D). (© MPIK)

Schemazeichnung einer Elektronenstrahlionenfalle (EBIT): (a) Elektronenkanone, (b) Fallenelektroden, (c) Elektronen-Kollektor, (d) Supraleitende Helmholtz-Spulen zur Erzeugung des Magnetfelds B, (e) Röntgen-Detektor. (© MPIK)

Ein mysteriöses Röntgensignal von Galaxienclustern hat unter Astronomen kürzlich für Aufregung gesorgt: Stammt es etwa von der Dunklen Materie, die rund 80 Prozent der Materie im Universum ausmacht, derer die Wissenschaftler bislang aber nicht habhaft werden? Um zur Beantwortung dieser Frage beizutragen, prüften Physiker des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik im Labor eine alternative Erklärung. Demnach muss die Suche nach der schwer fassbaren Materieform weitergehen. Denn das rätselhafte Röntgensignal könnte von hochgeladenen Schwefel-Ionen stammen, die Elektronen von Wasserstoffatomen einfangen.

Vor rund zwei Jahren funkte der Röntgensatellit XMM-Newton Daten zur Erde, die bei Astrophysikern große Hoffnungen weckten. Er hatte aus mehreren Galaxienclustern schwache Strahlung bei einer Energie von etwa 3,5 Kiloelektronenvolt (keV) aufgefangen, die sich die Forscher nicht sofort anhand der bekannten Spektren erklären konnten. Schnell kamen Spekulationen auf, dass es sich um Signale von zerfallenden Teilchen der Dunklen Materie handeln könnte – das wäre die erste handfeste Spur der langgesuchten Materieform gewesen. Die Hoffnung bekam jedoch bald einen ersten Dämpfer: Die Regionen, in denen XMM-Newton die Röntgenstrahlung beobachtete, passten nicht zur räumlichen Verteilung, die astrophysikalische Analysen für die Dunkle Materie vorhersagten.

Zudem gibt es noch reichlich physikalische Prozesse, von denen Astronomen nicht wissen, welche Fingerabdrücke sie in Röntgenspektren hinterlassen, die als mögliche Ursache des rätselhaften Signals also noch nicht auszuschließen sind. Denn die spektralen Daten in den Tabellenwerken, anhand derer Forscher astronomische Spektren auswerten, sind noch unvollständig. Zum Teil beruhen sie auch auf theoretischen Annahmen und sind entsprechend unzuverlässig.

Hochgeladene Ionen sind zwischen den Galaxien häufig anzutreffen

Eine Lücke in den Röntgendaten haben Physiker um José Crespo, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kernphysik, nun mit ihren Experimenten geschlossen. Und sie stützen damit einen Vorschlag ihrer niederländischen Kooperationspartner Liyi Gu und Jelle Kaastra, was die Ursache der Röntgenstrahlung sein könnte. Nach Berechnungen der beiden Forscher des SRON Netherlands Institute for Space Research könnte die mysteriöse Linie nämlich daher rühren, dass nackte Schwefelkerne (S16+), also Schwefelatome, denen alle Elektronen abhandengekommen sind, jeweils ein Elektron von Wasserstoffatomen aufnehmen.

Hochgeladene Ionen sind häufig im heißen Medium zwischen den Galaxien eines Clusters anzutreffen, und auch komplett ionisierter Schwefel ist ausreichend vorhanden. „Anschaulich gesprochen, funktioniert der Ladungsaustausch so“, erläutert José Crespo den Vorgang: „Die hohe Ladung des S16+-Ions saugt quasi das Elektron des H-Atoms an. Anschließend gibt es Energie in Form von Röntgenlicht ab.“

Experimente in einer Elektronenstrahl-Ionenfalle

Für die Messungen kam eine Elektronenstrahl-Ionenfalle (engl. electron beam ion trap, kurz EBIT) zum Einsatz. „Wir haben einen extrem dünnen Strahl einer flüchtigen Schwefelverbindung in das Vakuum der Apparatur injiziert“, erklärt Doktorand Stepan Dobrodey das Experiment. Beschuss mit Elektronen zerlegt die Moleküle und schlägt den Atomen ihre Elektronen weg – wie viele, hängt von der Energie des Elektronenstrahls ab. „So können wir gezielt die gewünschten hochgeladenen Schwefel-Ionen erzeugen“, fügt Postdoc Sven Bernitt hinzu. Der von supraleitenden Magnetspulen fein fokussierte Elektronenstrahl mit seiner negativen Ladung hält dann – zusammen mit dem starken Magnetfeld – die positiv geladenen Ionen in Schwebe. Während des Elektronenbeschusses entsteht durch Anregung der Ionen und Rekombination mit Elektronen viel Röntgenlicht. Um den Ladungsaustausch ungestört von dieser starken Emission beobachten zu können, griffen die Physiker zu einem Trick: sie schalteten den Elektronenstrahl für einige Sekunden ab. In dieser Zeit hält das Magnetfeld die Ionen in der Falle, und die Ionen können mit noch nicht zerstörten Molekülen wechselwirken und ihre viel schwächere Röntgenstrahlung emittieren.

Da die von den S16+-Ionen eingefangenen Elektronen in verschiedenen Energieniveaus landen, und auch unter Abgabe kleiner Energieportionen in niedrigere Energieniveaus fallen, bestehen die resultierenden Spektren aus einer Reihe von Komponenten. Eine Analyse ergab die Positionen der Übergänge – die des energiereichsten bei 3,47±0,06 keV. Dieser Wert liegt sehr nahe bei der mysteriösen Linie. „Um unsere Interpretation abzusichern“, berichtet Erstautor Chintan Shah, „haben unsere Kollegen in Leiden Modellrechnungen zum Ladungsaustausch durchgeführt, die unsere Daten sehr gut erklären können: Das berechnete Spektrum stimmt fast perfekt mit dem gemessenen überein.“

Die Suche nach der Dunklen Materie muss weitergehen

Dass die nackten Schwefel-Ionen die Elektronen in den Heidelberger Experimenten unzerstörten Molekülen der flüchtigen Schwefelverbindung und nicht Wasserstoffatomen entrissen, spielt für das Röntgenspektrum keine Rolle. Denn die Röntgenstrahlung entsteht erst, wenn die Elektronen im Schwefel Energie verlieren. „Berücksichtigt man die Ungenauigkeiten der astrophysikalischen Messungen und die experimentellen Unsicherheiten, wird klar, dass der Ladungsaustausch zwischen nacktem Schwefel und Wasserstoffatomen das mysteriöse Signal bei etwa 3,5 keV hervorragend erklären kann“, bringt José Crespo das Resultat auf den Punkt. Die Suche nach der Dunklen Materie muss also weitergehen.

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Originalpublikation:

Laboratory measurements compellingly support charge-exchange mechanism for the ‘dark matter‘ ~3.5 keV x-ray line
C. Shah, S. Dobrodey, S. Bernitt, R. Steinbrügge, J.R. Crespo López-Urrutia, L. Gu, J. Kaastra
Astrophysical Journal, im Druck,  arXiv:1608.04751v1

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Kontakt:

PD Dr. José R. Crespo López-Urrutia
E-Mail:  jose.crespo(at)mpi-hd.mpg.de
Tel.: 06221 516521

Dr. Chintan Shah
E-Mail:  chintan.shah(at)mpi-hd.mpg.de
Tel.: 06221 516438

Max-Planck-Gesellschaft

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