Dunkle Materie als „Riesenklumpen“? Gaia soll nach sprunghaften Sternpositionen suchen

Seit Jahrzehnten gilt: Dunkle Materie verrät sich überall durch ihre Gravitation, bleibt aber selbst unsichtbar. Galaxien rotieren zu schnell, große Strukturen im Kosmos wachsen so, wie es ohne zusätzliche Masse kaum erklärbar wäre. Lange konzentrierte sich die Forschung daher auf die Suche nach einem neuen, bislang unbekannten Teilchen jenseits des Standardmodells der Physik. Doch direkte Nachweise blieben bisher aus – und das zwingt die Theorie zu alternativen Erklärungsansätzen.

Eine aktuelle wissenschaftliche Debatte greift die Möglichkeit auf, dass dunkle Materie zumindest teilweise nicht aus mikroskopischen Teilchen besteht, sondern aus makroskopischen, exotischen Objekten. Gemeint sind lichtlose, massereiche Gebilde, die in ihrer Ausdehnung an Sterne erinnern könnten, ohne jedoch Strahlung abzugeben. Solche Objekte würden sich der Beobachtung weitgehend entziehen, könnten aber durch ihre Gravitation messbare Effekte hervorrufen.

Zwei Kandidaten: Bosonensterne und Q-Bälle

Im Mittelpunkt steht eine theoretische Arbeit, die Ende 2025 als Preprint veröffentlicht wurde und noch kein abgeschlossenes Peer-Review-Verfahren durchlaufen hat. Darin untersuchen die Autoren zwei Klassen sogenannter „exotischer dunkler Objekte“: Bosonensterne und Q-Bälle.

Bosonensterne sind hypothetische Gebilde aus extrem leichten Teilchen, deren quantenmechanische Eigenschaften sich über große Skalen hinweg bemerkbar machen. Anders als normale Sterne bestehen sie nicht aus Atomen, sondern aus einem kohärenten Quantenzustand, der sich unter dem Einfluss der Gravitation stabilisieren kann. Sie wären kompakt, massereich – und vollkommen dunkel.

Q-Bälle verfolgen einen ähnlichen, aber konzeptionell anderen Ansatz. Hier wird dunkle Materie nicht primär als Teilchensammlung verstanden, sondern als ein Quantenfeld, das den Raum durchzieht und unter bestimmten Bedingungen stabile, klumpenartige Konfigurationen ausbilden kann. Auch diese Objekte würden gravitativ wirken, ohne elektromagnetische Signale auszusenden.

Beide Konzepte sind bislang rein theoretisch. Ihr wissenschaftlicher Reiz liegt darin, dass sie prinzipiell beobachtbare Signaturen hinterlassen könnten, obwohl sie selbst unsichtbar bleiben.

Der Schlüssel: Astrometrisches Mikrolensing und Positionssprünge

Der vorgeschlagene Suchansatz setzt auf Gravitationslinseneffekte. Zieht ein massereiches Objekt vor einem weit entfernten Hintergrundstern vorbei, krümmt seine Gravitation den Lichtweg. Klassisches Mikrolensing zeigt sich meist als kurzfristige Helligkeitsänderung. Die neue Arbeit konzentriert sich jedoch auf Astrometrie, also auf winzige Verschiebungen der scheinbaren Sternposition am Himmel.

Entscheidend ist dabei die Annahme, dass ausgedehnte, nicht punktförmige Linsen – wie Bosonensterne oder Q-Bälle – ein anderes astrometrisches Muster erzeugen als gewöhnliche kompakte Objekte. Besonders auffällig wären sogenannte Kaustiken: Überschreitet ein Hintergrundstern diese speziellen Gravitationszonen, könnte seine scheinbare Position abrupt springen und kurz darauf wieder zurückkehren. Beobachter würden dann einen plötzlichen, diskontinuierlichen „Hüpfer“ in der Sternbewegung messen.

Ein solches Signal wäre ungewöhnlich und ließe sich nicht ohne Weiteres mit bekannten astrophysikalischen Effekten erklären.

Warum ausgerechnet Gaia?

Um derart subtile Effekte nachzuweisen, sind extrem präzise und langfristige Positionsmessungen notwendig. Genau darauf ist die europäische Raumsonde Gaia ausgelegt. Sie vermisst über Jahre hinweg die Positionen, Eigenbewegungen und Entfernungen von mehr als einer Milliarde Sterne in der Milchstraße.

Die theoretische Studie argumentiert, dass Gaia-Daten bereits heute geeignet sein könnten, gezielt nach den beschriebenen Positionssprüngen zu suchen. Je nachdem, wie häufig solche exotischen Objekte im interstellaren Raum vorkommen, könnten sich in den Daten bereits entsprechende Ereignisse verbergen. Alternativ ließen sich zumindest strenge Obergrenzen dafür festlegen, welchen Anteil diese Objekte an der dunklen Materie haben können.

Einordnung: Chancen und Grenzen des Ansatzes

Ein möglicher Nachweis wäre kein endgültiger Beweis für die Natur der dunklen Materie, sondern ein Hinweis darauf, dass ein Teil davon aus kompakten, lichtlosen Objekten bestehen könnte. Selbst dann blieben zentrale Fragen offen: Welche Massen und Größen hätten diese Gebilde? Wie passen sie zu kosmologischen Messungen? Und lassen sich andere Erklärungen – etwa unbekannte Populationen normaler Linsen oder systematische Messfehler – zuverlässig ausschließen?

Gleichzeitig wäre auch ein negatives Ergebnis wissenschaftlich wertvoll. Bleiben die charakteristischen astrometrischen Sprünge aus, ließen sich große Bereiche des theoretischen Parameterraums ausschließen. Das würde helfen, spekulative Modelle einzugrenzen und die Suche nach der dunklen Materie gezielter auszurichten.

Zu berücksichtigen ist dabei, dass die zugrunde liegende Arbeit bislang ein Preprint ist. Ob sich die vorgeschlagenen Signaturen in realen Daten eindeutig identifizieren lassen, muss sich erst in unabhängigen Analysen und im wissenschaftlichen Diskurs zeigen.