Es ist eines der großen Abenteuer der modernen Physik: Die Suche nach der Dunklen Materie. Der gängigsten Theorie nach macht dieser Stoff 85 Prozent der Masse des Universums aus. Ohne seine Schwerkraft ließen sich viele Phänomene im Kosmos wie die Rotation der Sterne um die Milchstraße oder die Existenz und Bewegung von Galaxienhaufen nicht vernünftig erklären, davon ist ein Großteil der Physiker überzeugt. Doch die Dunkle Materie trägt ihren Namen zu Recht: Sie hat sich bisher in keinem Experiment zu erkennen gegeben, ist für die Beobachter unsichtbar geblieben.

Forschern der University of Leicester in Großbritannien könnte nun ein wichtiger Schritt zur Lösung des Rätsels gelungen sein. Sie haben ein ungewöhnliches Röntgensignal aus dem Randbereich des Erdmagnetfelds geortet, das seinen Ursprung ihrer Vermutung nach in Bestandteilen der Dunklen Materie hat. Falls sich diese Vermutung bestätigt, wäre das der erste experimentelle Nachweis des widerspenstigen Schwergewichts. Die Forscher könnten wohl damit beginnen, ihre Nobelpreis-Reden zu verfassen.

"Der direkte Nachweis Dunkler Materie hat die Physik dreißig Jahre lang beschäftigt", schreibt George Fraser, Erstautor der Studie, die nun in den Monthly Notices der Royal Astronomical Society veröffentlicht wurde (Fraser et al., 2014). Der Physiker und seine Kollegen hatten sich die Daten der europäischen Röntgensonde XMM-Newton vorgenommen. Darin entdeckten sie ein bislang unbekanntes Signal. Es hing von der Position der Sonde auf ihrer Umlaufbahn um die Erde ab: Jedes mal, wenn das Röntgenteleskop sich auf der der Sonne zugewandten Seite der Erde befand, registrierte es Röntgenstrahlung, die stark erhöht war.

Nachdem die Forscher in ihrer Veröffentlichung alle anderen plausiblen Quellen für das Signal ausgeschlossen hatten, blieb für sie nur eine logische Erklärung: Das Signal musste von Axionen, Elementarteilchen aus dem Kern der Sonne stammen. Diese bislang lediglich hypothetischen Teilchen sollen eigentlich eine Unstimmigkeit in einem ganz anderen Bereich der Physik erklären. Gleichzeitig dienen sie jedoch als Kandidaten für die Dunkle Materie.

Erst die richtige Strahlung entlarvt die Axionen – wenn es sie überhaupt gibt

Die Sonne strahlt Axionen gleichmäßig in alle Richtungen ab, so die Theorie. Die Teilchen müssen extrem leicht sein, sie dürften nur etwa ein Billionstel der Masse eines Elektrons tragen. Außerdem besitzen sie keine elektrische Ladung und treten kaum mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung. Wenn sie aber auf ein Magnetfeld wie das der Erde treffen, sollte aus ihnen Röntgenstrahlung entstehen.

Wie auf einer Halloween-Party erst die richtige Musik die Identität der verkleideten Partygäste verrät – zumindest, wenn man sie gut genug kennt –, verwandelt das Magnetfeld der Erde die Axionen in Röntgenstrahlung und macht sie so für Detektoren sichtbar. Genau diese entlarvende Strahlung haben die Forscher aus Leicester in den Daten des XMM-Newton-Teleskops entdeckt, glauben sie. "Es scheint plausibel, dass Axionen tatsächlich im Kern der Sonne entstehen und sich tatsächlich im Magnetfeld der Erde in Röntgenstrahlung umwandeln", schreiben die Forscher in ihrer Studie.

Die Suche nach der Dunklen Materie war bislang erfolglos. Zwar gibt es verschiedene mehr oder weniger exotische Kandidaten, die als ihre Bestandteile infrage kommen. Da wären zum Beispiel die WIMPs, schwach wechselwirkende massereiche Partikel, die Physiker in Untergrundlaboren – etwa tief unter den Alpen – jagen. Doch keiner der Kandidaten konnte die Forschergemeinde bislang vollends überzeugen. Sollte sich das Signal von Frasers Team tatsächlich als Spur der Axionen bestätigen, wäre dies eine überraschende Wende im Wettlauf um die Entdeckung der Dunklen Materie.

Christian Beck von der University of London arbeitet selbst an der Theorie der Axionen. Der Professor für Angewandte Mathematik war an der Studie der Forscher aus Leicester nicht beteiligt. Er sagt, dass "durchaus eine Chance auf eine sehr wichtige Entdeckung besteht". Man wisse, dass es im Universum viel Dunkle Materie geben muss und hier handele es sich potentiell um einen ersten direkten Nachweis axionischer Dunkler Materie in unserem Sonnensystem.