Schlagwort: Dunkle Materie

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Detektor AMS misst rätselhaften Überschuss an Positronen

Mitten im Bild ist der AMS-Detektor an Bord der Internationalen Raumstation ISS. Von der Raumstation sind Paneele und Module zu sehen. Rechts ist eine Raumfähre angedockt, dahinter schimmert die blaue Erde. Links oben strahlt die Sonne im schwarzen Weltraum.

Bildcredit und Lizenz: Ron Garan, Besatzung STS-134, Besatzung Expedition 28, NASA

Woher stammen all diese energiereichen Positronen? Das Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS-02) an Bord der Internationalen Raumstation ISS vermerkte genau, wie oft es seit 2011 von energiereichen Elektronen und Positronen getroffen wurde. Nach jahrelanger Datensammlung ist nun klar, dass es in den höchsten Energieniveaus, die beobachtet wurden, deutlich mehr Positronen als Elektronen gibt.

Der Überschuss hat vielleicht eine sehr aufregende und tiefgründige Ursache: Es könnte sich um Teilchen Dunkler Materie handeln, die zuvor unentdeckt waren, und die zerstrahlten. Möglich ist aber auch, dass die unerklärliche Abweichung von astronomischen Quellen stammt, zum Beispiel Pulsaren. Das Thema wird sehr aktiv beforscht.

Das Bild zeigt das Instrument AMS kurz nach seiner Installation auf der ISS. Rechts ist eine US-Raumfähre angedockt, links eine russische Sojus-Kapsel. Im Hintergrund leuchtet die blaue Erde. Sie ist die Heimat aller Nationen.

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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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Galaxienhaufen vergrößert ferne Supernova

Der Galaxienhaufen Abell 383 wurde vom Weltraumteleskop Hubble abgebildet. Um die Menge an Dunkler Materie zu bestimmen, wurde eine Supernova beobachtet, die in einer weit dahinter liegenden Galaxie explodierte. Die Bilder mit und ohne Supernova sind links oben eingeblendet.

Bildcredit: NASA, ESA, C. McCully (Rutgers U.) et al.

Wie kalibriert man eine riesige Gravitationslinse? In diesem Fall ist die Linse der Galaxienhaufen Abell 383. Er ist eine massereiche Ansammlung aus Galaxien, heißem Gas und Dunkler Materie. Der Haufen ist etwa 2,5 Milliarden Lichtjahre entfernt (Rotverschiebung z=0,187). Was kalibriert werden muss, ist die Masse des Haufens. Dazu zählt vor allem die Menge und Verteilung der Dunklen Materie.

Kürzlich wurde eine neue Methode zur Kalibrierung getestet. Dabei wartet man, bis sich hinter einem Galaxienhaufen eine sehr spezielle Supernova ereignet. Dabei zeigt sich, wie stark der Haufen die Supernova durch den Gravitationslinseneffekt vergrößert haben muss. Diese Technik ergänzt andere Methoden. Man kann damit berechnen, wie viel Dunkle Materie nötig ist, um die Bewegungen der Galaxien und von heißem Gas im Haufen zu erklären und um die Verzerrung der Gravitationslinsenbilder zu erzeugen.

Der Galaxienhaufen A383 wurde vom Weltraumteleskop Hubble abgebildet. Rechts zeigen die stark verzerrten Galaxien, die weit hinter dem Zentrum des Haufens liegen, dass er als Gravitationslinse geeignet ist.

Links sind zwei Bilder einer fernen Galaxie eingeschoben. Sie entstanden vor und nach einer kürzlich beobachteten Supernova. Bisher wurden zwei kalibrationstaugliche Supernovae vom Typ Ia hinter zwei anderen Galaxienhaufen entdeckt. Das geschah beim Projekt Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH).

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Der massereiche Galaxienhaufen El Gordo

Der rosarote Nebel im Bild zeigt die Röntgenstrahlung eines der massereichsten Galaxienhaufen, die wir kennen. Der blaue Nebel im Bild zeigt die berechnete Verteilung der Dunklen Materie, sie wurde anhand der Verzerrung dahinter liegender Galaxien berechnet.

Bildcredit: NASA, ESA, J. Jee (UC Davis) et al.

Es ist größer als eine Brotdose. Sogar viel größer als alle Brotladen der Welt. Der Galaxienhaufen ACT-CL J0102-4915 ist eines der größten und massereichsten Objekte, die wir kennen. Er ist sieben Milliarden Lichtjahre (z = 0.87) entfernt und hat den Spitznamen „El Gordo“. ACT-CL J0102-4915 ist etwa sieben Millionen Lichtjahre groß. Er enthält eine Masse von einer Billiarde (1.000.000.000.000.000) Sonnen.

Dieses Bild von El Gordo kombiniert ein Bild des Weltraumteleskops Hubble im sichtbaren Licht mit einem Röntgenbild des Chandra-Observatoriums. Es zeigt das heiße Gas in Rosarot. Eine computergenerierte Karte zeigt die wahrscheinlichste Verteilung der Dunklen Materie in Blau. Die Dunkle Materie wurde anhand der Verzerrung der Hintergrundgalaxien durch Gravitationslinsen berechnet.

Fast alle hellen Flecken sind Galaxien. Die Verteilung der blauen Dunklen Materie zeigt, dass sich der Haufen im mittleren Stadium einer Kollision zweier großer Galaxienhaufen befindet. Wenn man das Bild genau betrachtet, sieht man eine fast senkrechte Galaxie, die ungewöhnlich lang erscheint. Diese Galaxie ist in Wirklichkeit weit im Hintergrund. Ihr Bild ist durch den Gravitationslinseneffekt des massereichen Haufens gestreckt.

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Dunkle Materie im Zentrum der Galaxis?

Das linke der beiden Bilder ist ein Rohbild vom galaktischen Zentrum. Rechts wurden Gammaquellen abgezogen. Dabei blieb ein Überschuss. In den Bildmitten sind bunte Kerne, die von lila und blauen Nebeln umgeben sind.

Bildcredit: T. Daylan et al., Weltraumteleskop Fermi, NASA

Wie entstehen Gammastrahlen im Zentrum der Milchstraße? Die Spannung steigt. Eine Erklärung könnte lauten: durch schwer fassbare Dunkle Materie. In den letzten Jahren kartierte das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi das Zentrum der Galaxis in Gammastrahlen. Wiederholte detailreiche Analysen zeigen: Der Bereich um das galaktische Zentrum wirkt zu hell, als dass man es mit bekannten Gammastrahlen-Quellen erklären könnte.

Das Rohbild links oben zeigt die galaktische Zentralregion in Gammastrahlen. Im rechten Bild wurden alle bekannten Quellen abgezogen. Dabei blieb ein unerwarteter Überschuss. Ein faszinierendes hypothetisches Modell könnte das Ausmaß erklären. Es enthält eine Art Dunkler Materie, die als WIMPs bekannt sind. Es sind Teilchen, die mit sich selbst kollidieren und dabei die Gammastrahlen erzeugen könnten, die beobachtet wurden.

Diese Hypothese ist allerdings umstritten. Es gibt Diskussionen und detailreichere Untersuchungen. Die Natur Dunkler Materie zu erkennen ist eine der großen Aufgaben moderner Wissenschaft. Denn diese ungewöhnliche Art kosmologisch allgegenwärtiger Materie macht sich nur durch Gravitation bemerkbar.

Astrophysik: 750+ Codes in der Astrophysik-Quellcode-Bibliothek

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Rotverschiebungs-Wertetabelle unseres Universums

Die umfangreiche Grafik listet Werte der Rotverschiebung. Beschreibung im Text.

Bildcredit: Sergey V. Pilipenko (LPI, MIPT)

Wie weit ist „Rotverschiebung z=6“ entfernt? Zwar sind Menschen mit Entfernung und Zeit vertraut. Doch was man bei astronomischen Objekten misst, ist eigentlich die Rotverschiebung. Das ist eine Farbabweichung, die davon abhängt, wie sich die Energiedichte in unserem Universum entwickelt hat.

In den letzten Jahren führten kosmologische Messungen zu einer Einigung darüber, welche Energieformen unser Universum durchdringen. Daher konnte man eine einfache Tabelle erstellen, in der die beobachtete kosmologische Rotverschiebung z mit dem Standardkonzept von Zeit und Entfernung in Relation gesetzt wurde. Das gilt auch für die hochgerechnete Zeit, die vergangen ist, seit das Universum entstand.

So eine Tabelle ist oben dargestellt. Die Rotverschiebung z kann man in der ersten und in der letzten Spalte ablesen. Das entsprechende Alter des Universums in Milliarden Jahren steht in der mittleren Spalte. Die Bedeutung der übrigen Spalten ist in einer technischen Abhandlung beschrieben.

Sterne in unserer Galaxis haben eine kosmologische Rotverschiebung z=0. Doch die fernsten Supernovae ereignen sich anscheinend außerhalb einer Rotverschiebung z=1. Damit explodierten sie laut dem Diagramm, als das Universum etwa die Hälfte des heutigen Alters erreicht hatte. Die fernsten Gammablitze, die man bisher beobachtet hat, ereignen sich außerhalb einer Rotverschiebung z=6. Damals war das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt. Das sind weniger als 10 Prozent seines jetzigen Alters.

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Planck kartiert den kosmischen Mikrowellenhintergrund

Auf schwarzem Hintergrund ist eine ovale Karte abgebildet. Die Grundfarbe ist Hellblau, sie ist von orange-roten und blauen Flecken überzogen.

Bildcredit: Europäische Weltraumagentur ESA, Planck Collaboration

Woraus besteht unser Universum? Um das herauszufinden, startete die ESA den Satelliten Planck. Dieser kartierte leichte Temperaturunterschiede in der ältesten bekannten Oberfläche so detailreich wie nie zuvor. Es ist der Himmelshintergrund, der vor Milliarden Jahren zurückblieb, als unser Universum erstmals für Licht durchlässig wurde.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund in alle Richtungen beobachtbar. Es ein komplexer Bildteppich, der heiße und kalte Muster zeigt. Diese Muster sind nur dann zu beobachten, wenn das Universum aus bestimmten Arten von Energie besteht, die sich in einer gewissen Weise entwickelte.

Die Ergebnisse wurden letzte Woche veröffentlicht. Sie bestätigen erneut, dass ein Großteil des Universums hauptsächlich aus geheimnisvoller und fremdartiger Dunkler Energie besteht. Sogar ein Großteil der restlichen Materie ist eigenartig dunkel.

Außerdem zeigen die Planck-Daten, dass das Universum 13,81 Milliarden Jahre alt ist. Damit ist es nur wenig älter, als mit zahlreichen anderen Instrumenten geschätzt wurde. Zu diesen früheren Instrumenten zählt etwa der WMAP-Satellit der NASA. Die Ausdehnungsrate des Universums beträgt 67,3 (+/- 1,2) km/s/Mpc. Das ist etwas weniger, als früheren Schätzungen ergaben.

Einige Besonderheiten dieser Himmelskarte bleiben rätselhaft. Es ist ungeklärt, warum die Temperaturschwankungen auf einer Himmelshälfte anscheinend etwas größer sind als auf der anderen Seite.

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Polarring-Galaxie NGC 660

Um die Galaxie NGC 660 verläuft ein breiter Polarring mit vielen rötlichen Sternbildungsgebieten. Die Galaxie selbst wirkt leicht verzerrt.

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

Dieser kosmische Schnappschuss zeigt NGC 660. Das gestochen scharfe Kompositbild entstand aus Daten des Gemini-Nord-Teleskops auf dem Mauna Kea. Sie wurden mit Breit- und Schmalbandfiltern gewonnen.

Die Galaxie ist mehr als 20 Millionen Lichtjahre entfernt und schwimmt im nördlichen Sternbild Fische. Wegen ihrer eigenartige Erscheinung wird NGC 660 als Polarringgalaxie bezeichnet. Bei dieser seltenen Galaxienart kreist eine beträchtliche Menge an Sternen, Gas und Staub in Ringen um die Galaxie. Die Ringe stehen fast senkrecht zur Scheibe der Galaxie.

Die Konfiguration wirkt bizarr. Sie könnte entstanden sein, indem die Galaxie zufällig die Materie einer vorbeiziehenden Scheibengalaxie einfing. Die eingefangenen Trümmer wurden dabei in einen rotierenden Ring gezogen. Die gewaltige Wechselwirkung durch Gravitation könnte die zahllosen rötlichen Sternbildungsregionen im Ring um NGC 660 erklären.

Mit der Polarring-Komponente könnte man die Form des Hofes aus Dunkler Materie um die Galaxie erforschen, indem die Gravitation berechnet, welche die Dunkle Materie auf die Rotation des Ringes und die Scheibe ausübt. Dieser Hof ist an sich unsichtbar. Der Ring von NGC 660 ist breiter als die Scheibe. Er umfasst mehr als 50.000 Lichtjahre.

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