Die Ionosphäre der Erde ist die dünne, heiße Schicht der oberen Atmosphäre. Sie besteht aus einer losen Ansammlung von geladenen Teilchen – einem Plasma. Durch dieses Plasma „schwappen“ Wellen. Nach neuen Erkenntnissen theoretischer Physik könnten diese Wellen mit Wellen der hypothetischen dunklen Materie interagieren, die möglicherweise ihrerseits über die Erde schwappen.

Bewegt sich die mysteriöse dunkle Materie wie eine Welle über unseren Planeten? Diese Frage wollten Forscher:innen der US-amerikanischen Cornell-Universität untersuchen. Ihre Grundannahme bestand darin, dass sie, wenn dem so sei, sie in der Erdatmosphäre charakteristische Radiowellen erzeugen müsste. Das würde es uns ermöglichen, diese schwer fassbare Komponente des Universums endlich zu finden.

Bisher war das nicht gelungen. Zwar deutet eine regelrechte Fülle astrophysikalischer und kosmologischer Beweise auf die Existenz von dunkler Materie hin. Das beginnt bei den unerklärlichen Rotationskurven bestimmter Galaxien oder zeigt sich im Wachstum der größten Strukturen im Universum.

Allerdings sind alle bisherigen Versuche, diese Vielzahl von Beobachtungen mit alternativen Formulierungen der Gravitationstheorie zu erklären, gescheitert. In der Forschung hat sich daher die Annahme durchgesetzt, dass dunkle Materie schlicht eine unbekannte Form von Materie ist – eine, die nur selten mit Licht oder normaler Materie interagiert.

Aber auch diese Annahme ist in sich wenig zielführend. Ist es so, dass dunkle Materie aus massereichen Teilchen besteht? Die Suche nach dieser Art von Teilchen blieb bislang weitgehend erfolglos.

Oder ist es eher so, dass dunkle Materie außergewöhnlich leicht ist? Besteht sie etwa in Form theoretischer Teilchen, die als „Axionen“ bekannt sind, oder handelt es sich um eine exotische Form von Photon, das nur wenig Masse trägt.

Wäre dem so, wären diese Photonen Millionen Mal leichter als die leichtesten bekannten Teilchen. So würden sie, anstatt als einzelne punktförmige Geschosse zu erscheinen, eher wie große Wellen wirken, die durch den Kosmos schwappen.

Ebendiese Ausprägung will das Forscherteam bewiesen haben. Im Rahmen einer kürzlich auf dem Preprint-Server Arxiv veröffentlichten Studie untersuchten Physiker:innen Modelle von ultraleichter dunkler Materie und ihre Interaktion mit normaler Materie.

Überwiegend konnte das Team bei diesen Interaktionen kaum etwas, jedenfalls nichts Nachweisbares feststellen. Doch in seltenen Fällen war die Wechselwirkung zwischen dunkler und normaler Materie heftig genug, um eine beträchtliche Menge an Radiowellen zu erzeugen.

Die Voraussetzung dafür wäre, dass die Dunkle Materie auf ein Plasma trifft und die Frequenz der Dunkle-Materie-Wellen mit der Frequenz der Plasmawellen übereinstimmt. Dann würde eine Resonanz auftreten, die die Interaktion verstärkt und Strahlung in Form von Radiowellen erzeugt, so die Modelle des Teams.

Allerdings wären die durch diese Interaktion erzeugten Radiowellen kaum nachweisbar. Nach Erkenntnissen der Forscher:innen wäre es indes möglich, mit einer sorgfältig abgestimmten Radioantenne, die über ein Jahr hinweg nach einer bestimmten Frequenz von Radiowellen sucht, diese Wellen doch zu entdecken.

Die Idee hätte Potenzial. Denn die Ionosphäre der Erde bietet gleich mehrere Vorteile gegenüber anderen Quellen von durch dunkle Materie erzeugten Radiowellen. Erstens reflektiert die Ionosphäre ohnehin bereits viele Radiowellen aus dem tieferen Weltraum. Zweitens ist die Ionosphäre für uns verhältnismäßig leicht erreichbar.

Die Forscher:innen räumen durchaus ein, dass es mindestens Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern dürfte, die nötige Beobachtungstechnik zu perfektionieren, um nach solchen Radiowellen zu suchen. Gelänge dies aber, hätten wir einzigartige Möglichkeiten, eines der geheimnisvollsten Elemente des Universums direkt vor unserer Haustür zu erforschen.

Die Cornell-Universität ist eine US-amerikanische Privatuniversität mit Hauptcampus in Ithaca im US-Bundesstaat New York. Sie ist eine der acht Universitäten der Ivy League und zählt damit zu den international renommiertesten Universitäten.