Ein schwaches Gammaleuchten im Zentrum der Milchstraße beschäftigt die Astrophysik seit über einem Jahrzehnt. Zwei Erklärungen konkurrieren, und eine davon galt zuletzt als klar im Vorteil. Eine internationale Arbeitsgruppe hat das Signal nun mit einem Machine-Learning-Verfahren neu vermessen und dabei eine Information einbezogen, die bisher niemand genutzt hatte. Das Ergebnis dreht ein zentrales Gegenargument um.
Rund 85 Prozent der Materie im Universum sind nach Vermessungen der kosmischen Hintergrundstrahlung nicht sichtbar. Diese Dunkle Materie sendet selbst kein Licht aus und verrät sich bislang nur über ihre Schwerkraftwirkung auf Sterne, Gas und Galaxien. Viele Modelle sagen jedoch vorher, dass ihre Teilchen einander bei einer Begegnung vernichten können. Bei einer solchen Annihilation entstünde energiereiche Gammastrahlung mit einem charakteristischen Energiespektrum, und genau danach sucht die Astrophysik seit Jahren an den Orten mit der höchsten erwarteten Dichte. Das Zentrum der Milchstraße ist der naheliegendste Kandidat, gilt aber zugleich als besonders schwer auszuwerten, weil dieser Bereich des Gammastrahlenhimmels außergewöhnlich dicht und hell ist und zahllose gewöhnliche Quellen enthält, die man erst herausrechnen muss.
Genau dort liegt der Galactic Centre Excess, ein schwaches kugelförmiges Leuchten aus Gammastrahlung, das sich über Tausende von Lichtjahren um das galaktische Zentrum erstreckt. Eine Forschungskooperation der Universität Wien und des Lawrence Berkeley National Laboratory hat dieses Signal nun neu untersucht und die Ergebnisse im Fachmagazin Physical Review Letters vorgelegt. Nach Darstellung der beteiligten Institute lässt sich eine Erklärung durch Dunkle Materie derzeit nicht ausschließen. Das ist bemerkenswert, weil die Debatte in den vergangenen Jahren in die entgegengesetzte Richtung gelaufen war. Statistische Analysen hatten eine astrophysikalische Alternative gestützt und die Teilchenhypothese zunehmend an den Rand gedrängt. Der neue Zugang setzt an einer Größe an, die in früheren Auswertungen schlicht unter den Tisch gefallen war.
Für den Überschuss gibt es zwei ernsthafte Erklärungen. Die eine geht von annihilierender Dunkler Materie aus, deren theoretisch vorhergesagtes Spektrum bemerkenswert gut zu den Beobachtungen passt. Die andere führt das Leuchten auf eine große Population schnell rotierender Neutronensterne zurück, sogenannte Millisekundenpulsare, die einzeln zu schwach sind, um als Einzelobjekte aufgelöst zu werden, in Summe aber ein diffuses Glimmen erzeugen würden. Der Unterschied ist messbar. Dunkle Materie ergäbe eine wirklich glatte, kontinuierliche Emission, viele schwache Punktquellen dagegen ein körniges Muster. Frühere statistische Untersuchungen fanden Hinweise auf genau diese Körnigkeit und stützten damit die Pulsar-Hypothese. Der Streit um den Ursprung des Signals gehört zu den langlebigsten der Astrophysik und berührt dieselbe Frage wie ein möglicher Gammastrahlungsüberschuss im Halo der Milchstraße, der abseits der sternreichen Scheibe gemessen wurde.
Bisherige Auswertungen betrachteten vor allem die räumliche Verteilung der Gammaquanten und das Gesamtspektrum, nicht aber die Energie jedes einzelnen nachgewiesenen Photons. Genau diese Information hat die Gruppe nun eingebunden. Dafür trainierte sie ein Machine Learning-Verfahren mit mehr als einer Million simulierter Gammastrahlenbeobachtungen, um räumliche und spektrale Merkmale gleichzeitig auszuwerten. Das Bild verschiebt sich dadurch erheblich. Wo frühere Analysen auf vergleichsweise helle, unaufgelöste Punktquellen hindeuteten, zeigt die neue Auswertung, dass diese Quellen extrem lichtschwach sein müssten, so schwach, dass ihre Emission kaum noch von jener zu unterscheiden wäre, die annihilierende Dunkle Materie erzeugen würde. Für die Pulsar-Hypothese müssten im galaktischen Zentrum demnach mindestens 35.000 solcher Objekte existieren, deutlich mehr als die wenigen hundert bis tausend Quellen, von denen frühere Arbeiten ausgingen. Die Details finden sich in der Publikation in Physical Review Letters, die den methodischen Ansatz vollständig dokumentiert.
Die Autoren betonen ausdrücklich, dass ihre Arbeit nicht zeigt, dass Dunkle Materie für das Signal verantwortlich ist. Sie zeigt, dass es zu früh wäre, diese Möglichkeit auszuschließen. Damit fällt eines der bislang stärksten Gegenargumente, ohne dass ein positiver Nachweis vorläge. Der Befund bleibt eine Aussage über Wahrscheinlichkeiten und Modellannahmen, nicht über ein detektiertes Teilchen, und er hängt an der Güte der Simulationen, mit denen das Verfahren trainiert wurde. Auch eine Population von 35.000 lichtschwachen Objekten ist nicht ausgeschlossen, sie wäre nur schwerer mit den bekannten Entstehungswegen von Neutronensternen zu vereinbaren. Weiterkommen dürfte die Debatte erst mit empfindlicheren Gammadetektoren oder mit unabhängigen Messungen der Massenverteilung im galaktischen Zentrum, deren Modelle ohnehin in Bewegung sind, seit Daten zeigen, dass die Milchstraße eine deutlich kleinere Masse hat als bisher angenommen.
Physical Review Letters, Energy Distribution of the Galactic Center Excess's Sources; doi:10.1103/dkcq-6y4f