Dunkle Materie, das liebste unsichtbare Rätsel des Universums, wird normalerweise als Substanz beschrieben, die nur auf Gravitation reagiert. Aber Wissenschaftler, die sich nie mit einer einfachen Geschichte zufriedengeben, erforschen nun eine komplexere Möglichkeit: Dunkle-Materie-Teilchen könnten auch durch eine eigene verborgene Kraft interagieren. Eine neue Studie im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) untersuchte, was passieren würde, wenn dunkle Materie eine zusätzliche anziehende Kraft erführe. Die Ergebnisse waren überraschend kontraintuitiv: Obwohl die Kraft dazu führt, dass sich dunkle Materie effizienter ansammelt, beschleunigt sie normalerweise nicht das Wachstum kosmischer Strukturen. Stattdessen neigt sie dazu, dieses Wachstum zu verlangsamen.

Warum erwägen Wissenschaftler eine 'dunkle Kraft'? Weil hochpräzise Beobachtungen des Universums Ergebnisse geliefert haben, die nicht immer perfekt übereinstimmen. Messungen der kosmischen Expansion und der Entwicklung von Galaxien und anderen großen Strukturen scheinen manchmal leicht unterschiedliche Geschichten zu erzählen. Einige Beobachtungen des fernen Universums deuten darauf hin, dass die Expansion in der Vergangenheit möglicherweise etwas langsamer verlief, als das Standardmodell der Kosmologie vorhersagt. In der Zwischenzeit haben Studien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds lange nahegelegt, dass Materie auf den größten Skalen des Universums stärker geklumpt sein könnte als erwartet. Diese Unterschiede sind relativ klein, aber sie haben Wissenschaftler dazu ermutigt zu fragen, ob dem Standardmodell der Kosmologie eine wichtige Zutat fehlen könnte.

Eine Möglichkeit ist, dass Dunkle-Materie-Teilchen eine zusätzliche Kraft spüren, die gewöhnliche Materie nicht wahrnehmen kann. Da die Wechselwirkung nur im Dunkle-Materie-Sektor wirken würde, bezeichnen Forscher sie als 'dunkle Kraft'. Eine solche Wechselwirkung könnte sowohl die Expansion des Universums als auch die Bildung von Galaxien und größeren kosmischen Strukturen beeinflussen. 'Was wir wirklich über dunkle Materie wissen, wurde bisher nur durch ihre gravitativen Effekte gelernt', sagt Zachary Weiner, Forscher am Perimeter Institute for Theoretical Physics und korrespondierender Autor der Studie. 'Das lässt die Möglichkeit offen, dass dunkle Materie zusätzliche Wechselwirkungen haben könnte, die vor gewöhnlicher Materie verborgen sind.'

Das Forschungsteam untersuchte eine Gruppe theoretischer Modelle, in denen Dunkle-Materie-Teilchen zusätzlich zur Gravitation durch eine langreichweitige Kraft interagieren. Unter Verwendung theoretischer Berechnungen zusammen mit kosmologischen Daten untersuchten die Wissenschaftler, wie diese verborgene Wechselwirkung die Geschichte der kosmischen Expansion und das Wachstum großräumiger Strukturen beeinflussen würde. Zunächst scheint das erwartete Ergebnis einfach: Wenn sich Dunkle-Materie-Teilchen durch eine andere Kraft anziehen, sollten sie sich schneller zu Klumpen zusammenballen. Diese stärkere Klumpung könnte auch Beobachtungen erklären, die darauf hindeuten, dass das Universum dichtere Strukturen enthält als vorhergesagt. 'Das Erste, was man erwarten würde, ist, dass eine zusätzliche anziehende Kraft für dunkle Materie Strukturen schneller wachsen lässt', sagt Weiner. 'Aber ein anderer Effekt kommt gleichzeitig ins Spiel.'

In den von den Forschern untersuchten Modellen macht die zusätzliche Kraft die dunkle Materie tatsächlich effektiver klumpen. Sie verändert jedoch auch, wie sich dunkle Materie verhält, während sich das Universum ausdehnt. Derselbe Prozess führt dazu, dass Dunkle-Materie-Teilchen im Laufe der Zeit effektiv Masse verlieren. Diese Reduktion schwächt ihren gravitativen Einfluss und gleicht die stärkere Anziehung aus, die durch die verborgene Kraft erzeugt wird. Infolgedessen erzeugt die verstärkte Klumpung keinen stärkeren gravitativen Abdruck im kosmischen Mikrowellenhintergrund. In den meisten Fällen unterdrückt der kombinierte Effekt tatsächlich das Wachstum kosmischer Strukturen.

Die Ergebnisse könnten für Theorien von Bedeutung sein, die über die dunkle Materie hinausgehen. Einige Erklärungen, die für aktuelle Messungen des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) vorgeschlagen wurden, beinhalten ähnliche Wechselwirkungen zwischen Dunkle-Materie-Teilchen. Laut den Forschern wird der neu identifizierte Mechanismus wahrscheinlich viele dieser komplizierteren Modelle beeinflussen.