Schlagwort: Dunkle Materie

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Dunkle Materie in einem simulierten Universum

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

Spukt es in unserem Universum? Auf dieser Karte der Dunklen Materie scheint es so. Die Gravitation unsichtbarer Dunkler Materie ist die beste Erklärung dafür, warum Galaxien so schnell rotieren, warum Galaxien so schnell um Haufen kreisen, warum Gravitationslinsen Licht so stark ablenken und warum sichtbare Materie so verteilt ist, wie sie ist – sowohl im lokalen Universum als auch im kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Dieses Bild aus der Weltraumschau „Das dunkle Universum“ des Hayden-Planetariums im Amerikanischen Museum für Naturgeschichte zeigt, wie die allgegenwärtige Dunkle Materie in unserem Universum vielleicht spukt. Dieses Bild stammt aus einer detailreichen Computersimulation. Schwarze, komplexe Fasern aus alles durchdringender Dunkler Materie sind hier wie Spinnennweben im Universum verteilt. Die relativ wenigen Klumpen aus bekannter baryonischer Materie sind orange gefärbt.

Diese Simulationen stimmen statistisch gesehen gut mit astronomischen Beobachtungen überein. Etwas unheimlicher ist, dass Dunkle Materie – obwohl sie ziemlich seltsam ist und einer unbekannte Form hat – nicht mehr die seltsamste vermutete Quelle der Gravitation im Universum ist. Diese Ehre hat nun die Dunkle Energie, eine homogenere Quelle abstoßender Gravitation, die anscheinend die Ausdehnung des ganzen Universums bestimmt.

Nicht nur Halloween: Heute ist Tag der Dunklen Materie
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Vier Quasarbilder umgeben eine Galaxienlinse

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Bildcredit: ESA/Hubble, NASA, Sherry Suyu et al.

Beschreibung: Das Seltsame an dieser Gruppe aus Lichtern in der Mitte ist, dass vier davon derselbe ferne Quasar sind, weil die Galaxie im Vordergrund – in der Mitte der Quasarbilder und hier vorgestellt – als unruhige Gravitationslinse wirkt. Vielleicht noch seltsamer ist, dass man durch Beobachtung des Flackerns dieses Quasars im Hintergrund die Expansionsgeschwindigkeit des Universums schätzen kann, weil die Flackerabläufe zunehmen, wenn die Expansionsgeschwindigkeit steigt. Manche Astronomen sehen das Verrückteste darin, dass diese mehrfach abgebildeten Quasare ein Hinweis auf ein Universum sind, das etwas schneller expandiert als mithilfe verschiedener Methoden, die für das frühe Universum gelten, geschätzt wurde. Das ist so, weil … nun ja, niemand weiß, warum. Zu den Gründen könnte eine unerwartete Verteilung Dunkler Materie, ein unerwarteter Gravitationseffekt oder etwas ganz Anderes zählen. Vielleicht beseitigen künftige Beobachtungen und Analysen dieses und ähnlich gebrochener Quasarbilder diese Unklarheiten.

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Polarring-Galaxie NGC 660

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Bildcredit und Bildrechte: CHART32-Team, Bearbeitung – Johannes Schedler

Beschreibung: Dieser kosmische Schnappschuss zeigt NGC 660. Sie ist mehr als 40 Millionen Lichtjahre entfernt und schwimmt im Sternbild Fische. Die seltsame Erscheinung von NGC 660 kennzeichnet sie als Polarring-Galaxie. Polarring-Galaxien sind eine seltene Galaxienart mit einer beträchtlichen Population aus Sternen, Gas und Staub, die in Ringen kreisen, welche stark zur Ebene der Galaxienscheibe geneigt sind. Die bizarre Anordnung könnte zufällig entstanden sein, indem eine Scheibengalaxie Materie von einer vorbeiziehenden Galaxie einfing, wobei die eingefangenen Teile schlussendlich in einen rotierenden Ring gezogen wurden. Die gewaltige gravitative Wechselwirkung hätte in diesem Fall zu den Myriaden rötlicher Sternbildungsregionen geführt, die im Ring von NGC 660 verteilt sind. Mithilfe des Polarrings kann auch die Form des sonst unsichtbaren Hofes aus Dunkler Materie erforscht werden, indem man den Gravitationseinfluss der Dunklen Materie auf die Rotation von Ring und Scheibe berechnet. Der Ring um NGC 660 ist breiter als die Scheibe und größer als 50.000 Lichtjahre.

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Die Materie des Geschoßhaufens 1E 0657-558

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Bildcredit: Röntgen: NASA/CXC/CfA/ M. Markevitch et al.; Gravitationslinsenkarte: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al.; Optisch: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Beschreibung: Was ist los mit dem Geschoßhaufen?

Dieser massereiche Galaxienhaufen (1E 0657-558) erzeugt Gravitationslinsenverzerrungen bei Hintergrundgalaxien auf eine Art, die als starkes Indiz für die führende Theorie gewertet wurde: dass es darin Dunkle Materie gibt.

Andere aktuelle Analysen lassen jedoch vermuten, dass eine weniger bekannte Möglichkeit – veränderliche Gravitation – das Kräftespiel im Haufen ohne Dunkle Materie erklären könnte, was ein weiteres wahrscheinlicheres Vorläuferszenario wäre. Derzeit wetteifern die beiden wissenschaftlichen Hypothesen um die Erklärung der Beobachtungen: unsichtbare Materie kontra abgeänderte Gravitation.

Der Wettkampf ist dramatisch, da ein klares kugelsicheres Beispiel für Dunkle Materie die Einfachheit der Theorien zu veränderter Gravitation zerschlagen würde. In naher Zukunft wird der Streit um den Geschoßhaufen wahrscheinlich fortgeführt, wenn neue Beobachtungen, Computersimulationen und Analysen abgeschlossen werden.

Dieses Bild ist ein Komposit aus Hubble-, Chandra– und Magellan-Daten, Rot die zeigt Röntgenstrahlung des heißen Gases, die vermutete Verteilung der getrennten Dunkle Materie ist in Blau abgebildet.

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NGC 4414: eine wolkige Spiralgalaxie

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Bildcredit: NASA, ESA, W. Freedman (U. Chicago) et al. und das Hubble Heritage Team (AURA/STScI), SDSS;  Bearbeitung: Judy Schmidt

Beschreibung: Wie viel Masse verbergen wolkige Spiralen? Dieses Echtfarbenbild der wolkigen Spiralgalaxie NGC 4414 wurde mit dem Weltraumteleskop Hubble fotografiert, um diese Frage zu beantworten. Wolkige Spiralen – Galaxien ohne klar definierte Spiralarme – sind eine häufige Galaxienart, und NGC 4414 ist eine der nächstgelegenen. Sterne und Gas nahe dem sichtbaren Rand von Spiralgalaxien umkreisen das Zentrum so schnell, dass die Gravitation einer großen Menge unsichtbarer Dunkler Materie vorhanden sein muss, um sie zusammenzuhalten.

Die Verteilung von Materie und Dunkler Materie in NGC 4414 zu verstehen hilft der Menschheit, den Rest dieser Galaxie und – davon abgeleitet – flockiger Spiralen allgemein zu kalibrieren. Weiters hilft die Vermessung der Entfernung zu NGC 4414 der Menschheit, die kosmologische Entfernungsskala des gesamten sichtbaren Universums zu eichen.

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M63: Die Sonnenblumengalaxie von Hubble

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Bildcredit: ESA, NASA, Hubble

Beschreibung: Eine der hellen Spiralgalaxien am nördlichen Himmel ist M63, die Sonnenblumengalaxie. M63 ist auch als katalogisiert NGC 5055. Sie ist mit einem kleinen Teleskop im Sternbild Jagdhunde (Canes Venatici) zu finden. Auf diesem Bild des Weltraumteleskops Hubble ist das Zentrum von M63 mit langen, gewundenen Spiralarmen zu sehen.

Das blaue Leuchten stammt von wenigen hellen, jungen Sternen. Emissionsnebel aus heißem, ionisiertem Wasserstoff leuchten rot, dazwischen liegen viele Fasern aus dunklem Staub. Zwischen M63 und M51 (die Strudelgalaxie) sowie mehreren kleineren Galaxien gibt es Wechselwirkungen durch Gravitation. Licht braucht ungefähr 35 Millionen Jahre, um uns von M63 zu erreichen, und etwa 60.000 Jahre, um die Spiralgalaxie zu durchqueren.

Die Sterne in den äußeren Regionen der Sonnenblumengalaxie kreisen so schnell um das Zentrum, dass sie angesichts der sichtbaren Materie und bei Annahme normaler Gravitation in den Weltraum hinausfliegen müssten. Dass die Sterne in der Galaxie bleiben, wird als Hinweis auf eine unsichtbare Dunkle Materie gedeutet, welche die Sterne durch Gravitation zurückhält.

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Polarring-Galaxie NGC 660

Der Polarring der Galaxie NGC 660 im Sternbild Fische ist größer als die Galaxienscheibe selbst. Er enthält viele rötliche Sternbildungsregionen.

Bildcredit: Gemini-Observatorium, AURA, Travis Rector (Univ. Alaska Anchorage)

Dieser kosmische Schnappschuss zeigt NGC 660. Er ist ein scharfes Kompositbild aus Daten des Teleskops Gemini Nord auf dem Mauna Kea. Die Daten wurden mit Breit- und Schmalbandfiltern fotografiert. NGC 660 schwimmt mehr als 20 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Fische. Ihre merkwürdige Erscheinung kennzeichnet sie als Polarring-Galaxie.

Bei den seltenen Polarring-Galaxien rotiert eine beträchtliche Menge an Sternen, Gas und Staub in Ringen, die fast senkrecht zur Ebene der Galaxienscheibe liegen. Die groteske Anordnung entstand vielleicht, als eine Scheibengalaxie Materie von einer zufällig vorbeiziehenden Galaxie einfing. Dabei wurden die eingefangenen Trümmer in einen rotierenden Ring gezogen.

Die gewaltige gravitative Wechselwirkung würde die unzähligen rötlichen Sternbildungsregionen erklären, die im Ring von NGC 660 verteilt sind. Der Polarring hilft vielleicht auch, die Form des unsichtbaren Hofes aus Dunkler Materie um die Galaxie zu erkunden. Dazu wird der Gravitationseinfluss der Dunklen Materie auf die Rotation von Ring und Scheibe berechnet. Der Ring von NGC 660 ist breiter als die Scheibe. Er ist größer als 50.000 Lichtjahre.

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Illustris-Simulation des Universums

Videocredit: Illustris-Arbeitsgemeinschaft, NASA, PRACE, XSEDE, MIT, Harvard CfA; Musik: The Poisoned Princess (Media Right Productions)

Wie sind wir hierher gekommen? Klickt auf den Pfeil, lehnt euch zurück und seht zu. Diese neue Computersimulation zeigt die Entstehung des Universums. Es ist die größte und anspruchsvollste Simulation, die je erstellt wurde. Sie liefert neue Erkenntnisse zur Bildung von Galaxien und bietet neue Perspektiven zum Platz der Menschheit im Universum.

Das Illustris-Projekt ist das bisher größte seiner Art. Es verbrauchte 20 Millionen CPU-Stunden. Dabei verfolgte es 12 Milliarden Auflösungselemente in einem Würfel mit einer Kantenlänge von 35 Millionen Lichtjahren. Die berechnete Entwicklungszeit umfasst 13 Milliarden Jahre. Die Simulation veranschaulicht erstmals, wie aus Materie eine große Vielfalt an Galaxientypen entsteht.

Während sich das virtuelle Universum entwickelt, kondensiert bald durch Gravitation ein Teil der Materie, die mit dem Universum expandiert. Das Material bildet Filamente, Galaxien und Galaxienhaufen.

Das Video zeigt die Perspektive einer virtuellen Kamera, die einen Teil des Universums umkreist, während sich dieses verändert. Zuerst zeigt sie die Entwicklung Dunkler Materie. Dann folgt Wasserstoff, der nach Temperatur codiert ist (0:45). Später sind schwere Elemente wie Helium und Kohlenstoff zu sehen (1:30). Schließlich kehrt die Kamera zu Dunkler Materie zurück (2:07).

Links unten ist die Zeit gelistet, die seit dem Urknall vergangen ist. Rechts unten ist die Art der gezeigten Materie zu lesen. Explosionen (0:50) zeigen Galaxienzentren mit sehr massereichen Schwarzen Löchern. Sie werfen Blasen aus heißem Gas aus. Es gibt interessante Unstimmigkeiten zwischen Illustris und dem realen Universum. Nun wird untersucht, warum die Simulation zum Beispiel ein Übermaß an alten Sternen erzeugt.

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