Schlagwort: Dunkle Materie

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Dunkle Materie in einem simulierten Universum

Auf dieser Simulation des Hayden Planetariums scheint Dunkle Materie im Universum häufiger vorzukommen als baryonische Materie.

Illustrationscredit und -rechte: Tom Abel und Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH

Beschreibung: Spukt es in unserem Universum? Auf dieser Karte Dunkler Materie scheint es so. Die Gravitation unsichtbarer Dunkler Materie ist die führende Erklärung dafür, warum Galaxien so schnell rotieren, warum Galaxien auf ihren Bahnen in Galaxienhaufen so schnell sind, warum Gravitationslinsen Licht so stark ablenken und warum sichtbare Materie so verteilt ist, wie wir das beobachten – sowohl im lokalen Universum als auch im kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Dieses Bild aus der schon älteren Weltraumschau „Dunkles Universum“ des Hayden Planetariums im Amerikanischen Museum für Naturgeschichte zeigt ein Beispiel, wie die alles durchdringende Dunkle Materie im Universum spuken könnte. Auf diesem Bild aus einer detailreichen Computersimulation sind schwarz abgebildete komplexe Fasern aus Dunkler Materie wie Spinnweben im Universum verteilt, während die relativ seltenen Klumpen aus vertrauter baryonischer Materie orange gefärbt sind. Diese Simulationen passen gut zu astronomischen Beobachtungen.

Eine vielleicht noch beängstigendere Wende der Ereignisse ist, dass Dunkle Materie – obwohl ziemlich seltsam und eine unbekannte Form – nicht mehr als seltsamste Quelle der Gravitation im Universum gilt. Diese Ehre gebührt der Dunklen Energie, einer gleichförmigeren Quelle abstoßender Gravitation, die nun anscheinend die Ausdehnung des gesamten Universums kontrolliert.

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Extrem schnell rotierende Spiralgalaxien

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Bildcredit: obere Reihe: NASA, ESA, Hubble, P. Ogle und J. DePasquale (STScI); untere Reihe: SDSS, P. Ogle und J. DePasquale (STScI)

Beschreibung: Warum rotieren diese Galaxien so schnell? Wenn Sie die Masse jeder Spirale danach einschätzen, wie viel Licht sie abstrahlt, müssten sie durch ihre schnelle Rotation auseinanderbrechen.

Die führende Vermutung, warum diese Galaxien nicht auseinanderbrechen, ist Dunkle Materie – Masse, die so dunkel ist, dass wir sie nicht sehen können. Diese Galaxien übertreffen mit ihrer Rotationsgeschwindigkeit sogar die Zerfallsgrenze – sie sind die am schnellsten rotierenden Scheibengalaxien, die wir kennen. Daher wird weiters vermutet, dass ihre Höfe aus Dunkler Materie so massereich sind – und ihre Rotation so schnell -, dass in diesen Galaxien weniger leicht Sterne entstehen als in gewöhnlichen Spiralen. Falls dem so ist, könnten diese Galaxien zu den massereichsten Spiralgalaxien gehören, die überhaupt möglich sind.

Überraschende Superspiralen wie diese werden weiterhin erforscht, wahrscheinlich auch durch Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, dessen Start für 2021 geplant ist.

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Das Grinsen der Schwerkraft

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Bildcredit: Röntgen – NASA / CXC / J. Irwin et al.; Optisch – NASA/STScI

Beschreibung: Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die vor 100 Jahren veröffentlicht wurde, sagte das Phänomen des Gravitationslinseneffektes voraus. Dieser Effekt verleiht diesen fernen Galaxien eine so launige Erscheinung, wenn man sie im Spiegel von Röntgen- und optischen Bilddaten der Weltraumteleskope Chandra und Hubble betrachtet.

Die Galaxiengruppe trägt den Spitznamen Grinsekatze. Ihre beiden elliptischen Galaxien werden von angedeuteten Bögen eingerahmt. Diese Bögen sind optische Bilder ferner Hintergrundgalaxien. Sie wurden von der Gesamtverteilung der Gravitationsmasse der Gruppe im Vordergrund gebrochen. Diese Gravitationsmasse besteht vorwiegend aus Dunkler Materie.

Die beiden großen elliptischen „Augen“-Galaxien sind die hellsten Mitglieder ihrer Galaxiengruppe, sie sind dabei zu verschmelzen. Ihre relative Kollisionsgeschwindigkeit von fast 1350 Kilometern pro Sekunde erhitzt Gas auf Millionen Grad. Dabei entsteht das Leuchten im Röntgenspektralbereich, das in violetten Farbtönen abgebildet ist.

Sind Sie neugierig auf die Verschmelzung von Galaxiengruppen? Die Grinsekatzengruppe lächelt etwa 4,6 Milliarden Lichtjahre entfernt im Sternbild Großer Bär (Ursa Major).

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Die lokale Leere im nahen Universum

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Bildcredit: R. Brent Tully (U. Hawaii) et al.

Beschreibung: Wie sieht unsere Region des Universums aus? Da Galaxien so weit über den Himmel verteilt sind, und weil unsere Milchstraße einen Teil des fernen Himmels abdeckt, war es schwierig, das zu beurteilen. Doch nun wurde eine neue Karte erstellt, die aus großräumigen Galaxienbewegungen ableitet, welche massereichen Objekte im nahen Universum gravitativen Einfluss ausüben müssen.

Diese Karte hat eine Seitenlänge von mehr als 600 Millionen Lichtjahren und zeigt, dass unsere Galaxis am Rand des Virgo-Galaxienhaufens liegt, der mit dem großen Attraktor verbunden ist – einer noch größeren Galaxiengruppierung. In der Nähe befinden sich auch der massereiche Koma-Haufen und der ausgedehnte Perseus-Fische-Superhaufen.

Andererseits befinden wir uns auch am Rand einer riesigen Region, die fast frei von Galaxien ist, und die als lokale Leere bekannt ist. Der abstoßende Schub der lokalen Leere, kombiniert mit dem gravitativen Zug zur erhöhten Galaxiendichte auf der anderen Seite des Himmels, erklärt einen Teil der rätselhaft hohen Geschwindigkeit unserer Galaxis vor dem kosmischen Mikrowellenhintergrund – aber nicht zur Gänze.

Wenn Sie das lokale Universum selbst – wie von Cosmicflows-3 beschrieben- erforschen möchten, können Sie diese interaktive 3D-Visualisierung vergrößern und drehen.

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Gerüchte über ein dunkles Universum

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Bildcredit: High-Z Supernova-Suchteam, HST, NASA

Beschreibung: Vor 21 Jahren wurden erstmals Ergebnisse vorgestellt, die Hinweise lieferten, dass sich ein Großteil der Energie unseres Universums nicht in Sternen oder Galaxien befindet, sondern an den Raum selbst gebunden ist. Nach Ansicht der Kosmologen setzten neue Beobachtungen ferner Supernovae eine große kosmologische Konstante – Dunkle Energie – voraus.

Die Idee einer kosmologischen Konstante war nicht neu – es gibt sie seit Beginn der heutigen relativistischen Kosmologie. Solche Annahmen waren jedoch in der Regel nicht sehr verbreitet, weil die Dunkle Energie so anders war als die bekannten Bestandteile des Universums, außerdem schien die Menge an Dunkler Energie durch andere Beobachtungen begrenzt, und weniger seltsame Kosmologien hatten die Daten bis dahin ohne eine beträchtliche Menge an Dunkler Energie gut erklärt.

Das Besondere war hier die offenbar direkte und zuverlässige Beobachtungsmethode sowie der gute Ruf der Wissenschaftler, welche die Untersuchungen durchführen. Im Laufe von zwei Jahrzehnten sammelten unabhängige Arbeitsgruppen von Astronominnen und Astronomen weiterhin Daten, welche die Existenz Dunkler Energie und die das verstörende Ergebnis eines derzeit beschleunigt expandierenden Universums zu bestätigen scheinen.

2011 erhielten die Arbeitsgruppenleiter für ihre Arbeit den Nobelpreis für Physik. Dieses Bild einer Supernova, die 1994 in den Außenbereichen einer Spiralgalaxie zu beobachten war, wurde von einer dieser Forschungsgruppen aufgenommen.

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Abell 370: Galaxienhaufen-Gravitationslinse

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Bildcredit: NASA, ESA, Hubble; Bearbeitung und Bildrechte: Rogelio Bernal Andreo (DeepSkyColors.com)

Beschreibung: Was sind diese seltsamen Bögen? Beim Abbilden des Galaxienhaufens Abell 370 entdeckten Astronomen einen ungewöhnlichen Bogen. Die Natur des Bogens wurde nicht sofort erkannt, sondern erst, als bessere Bilder zeigten, dass der Bogen eine noch nie zuvor beobachtete Art astrophysikalisch verzerrter Abbildungen in Gravitationslinsen war, bei denen das Zentrum eines ganzen Galaxienhaufens die Linse ist.

Heute wissen wir, dass dieser Bogen – der hellste Bogen im Haufen – eigentlich aus zwei verzerrten Bildern einer ziemlich normalen Galaxie besteht, die zufällig weit entfernt dahinter liegt. Durch die Gravitation von Abell 370 wurde das Licht der Hintergrundgalaxien – und anderer Galaxien – verteilt, sodass es auf mehrfachen Lichtlaufwegen zum Beobachter gelangte – ähnlich wie wenn ein fernes Licht durch den Stiel eines Weinglases leuchtet.

Fast alle hier abgebildeten gelblichen Strukturen sind Galaxien im Haufen Abell 370. Ein scharfes Auge erkennt jedoch viele seltsame Bögen und verzerrte Bogenteile, die eigentlich die Bilder ferner normaler Galaxien sind, welche durch Gravitation gebrochen wurden. Untersuchungen von Abell 370 und seiner Bilder bieten Astronomen einen einzigartigen Blick auf die Verteilung normaler und Dunkler Materie in Galaxienhaufen und im Universum.

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Planck-Karten des Mikrowellenhintergrundes

Das ovale Bild ist eine Karte der kosmischen Hintergrundstraße. Rote und blaue Flecken zeigen Stellen, die heißer oder kälter sind als der Durchschnitt.

Bildcredit: Europäische Weltraumagentur ESA, Planck-Arbeitsgemeinschaft

Woraus besteht unser Universum? Um das herauszufinden, startete die ESA den Satelliten Planck. Er kartierte von 2009 bis 2013 leichte Temperaturunterschiede auf der ältesten bekannten optischen Oberfläche so detailreich wie nie zuvor. Diese Oberfläche ist der Himmelshintergrund, der vor Milliarden Jahren übrig blieb, als unser Universum erstmals für Licht durchsichtig wurde.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist in allen Richtungen sichtbar. Es ist ein komplexer Bildteppich. Wir beobachten heiße und kalte Muster an Stellen, wo das Universum aus bestimmten Arten von Energie besteht, die sich auf eine gewisse Weise entwickelt haben. Letzte Woche wurden die endgültigen Ergebnisse veröffentlicht. Sie bestätigen, dass ein Großteil unseres Universums aus rätselhafter, unbekannter Dunkler Energie besteht. Außerdem ist ein Großteil der verbleibenden Materieenergie seltsam dunkel.

Die „finalen“ Planckdaten von 2018 bestätigen auch, dass das Universum etwa 13,8 Milliarden Jahre alt ist. Sie zeigen auch, dass die lokale Ausdehnungsrate, die sogenannte Hubblekonstante, 67,4 (+/- 0,5) km/sec/Mpc beträgt. Seltsamerweise ist die Hubblekonstante, die durch Beobachtung des frühen Universums ermittelt wurde, etwas niedriger als die Hubblekonstante, die mit anderen Methoden im späten Universum gemessen wurde. Dieser Unterschied sorgt für Diskussionen und Vermutungen.

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Zufallsblitz – ein Kandidat für den bisher fernsten Stern

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Bildcredit: NASA, ESA und P. Kelly (U. Minnesota) et al.

Beschreibung: Stammt dieser Blitz vom fernsten Stern, den wir je gesehen haben? Ein unerwarteter Lichtblitz, der zufällig auf Bildern des Weltraumteleskops Hubble entdeckt wurde, ist vielleicht nicht nur ein ungewöhnliches Gravitationslinsenereignis, sondern auch das Bild eines normalen Sterns, der 100 Mal weiter entfernt ist als jeder bisher einzeln abgebildete Stern.

Dieses Bild zeigt links den Galaxienhaufen mit vielen gelblichen Galaxien. Rechts befindet sich ein ausgedehntes Quadrat, wo 2016 eine Quelle erschien, die 2011 nicht erkennbar war. Das Spektrum und die Veränderlichkeit dieser Quelle ähneln seltsamerweise nicht einer Supernova, sondern passen eher zu einem normalen blauen Überriesenstern, der durch eine Ansammlung ausgerichteter Gravitationslinsen etwa um den Faktor 2000 vergrößert wurde. Diese Quelle wird als Icarus bezeichnet, sie befindet in einer Galaxie weit hinter dem Galaxienhaufen im fernen Universum – bei Rotverschiebung 1,5.

Wenn die Interpretation der Linse korrekt und Icarus kein explodierender Stern ist, könnten weitere Beobachtungen dieses und anderer ähnlich vergrößerter Sterne Information über den Gehalt an stellarer und Dunkler Materie in diesem Galaxienhaufen und im Universum liefern.

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