Schlagwort: Dunkle Materie

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Film mit Dunkler Materie aus der Bolshoi-Simulation

Video-Credit: A. Klypin (NMSU), J. Primack (UCSC) et al., Chris Henze (NASA Ames), Pleiaden-Supercomputer der NASA; Musik (© 2002): Her Knees Deep in Your Mind von Ray Lynch

Stellt euch vor, ihr könnt durch das Universum fliegen und Dunkle Materie sehen! An der Technologie für so einen Flug wird noch gearbeitet. Doch der Technik gelang mit Abschluss der Bolshoi-Kosmologie-Simulation ein großer Schritt bei der Visualisierung so eines Flugs. Nach 6 Millionen CPU-Stunden warf der siebtschnellste Supercomputer der Welt viele wissenschaftliche Neuheiten aus. Eine davon war diese Flugsimulation.

Am Beginn stand eine relativ gleichmäßige Verteilung der Dunklen Materie im frühen Universum. Diese sieht man am Mikrowellenhintergrund und anderen großen Datensätzen des Himmels. Die Bolshoi-Simulation folgte mit dem kosmologischen Standardmodell der Entwicklung des Universums bis zur Jetztzeit. Die Simulation seht ihr oben.

Die hellen Punkte im Video sind Knoten aus eigentlich unsichtbarer Dunkler Materie. Viele Knoten enthalten normale Galaxien. Markant sind lange Fasern und Galaxienhaufen. Sie werden von der Gravitation der Dunklen Materie bestimmt. Statistische Vergleiche zwischen Bolshoi und Himmelskarten von Galaxien zeigen eine hohe Übereinstimmung.

Die Bolshoi-Simulation stützt zwar das Vorhandensein Dunkler Materie. Doch viele Fragen zum Universum bleiben offen: Wie ist Dunkle Materie zusammengesetzt? Was ist die Natur der Dunklen Energie? Wie entstanden die ersten Sterngenerationen und Galaxien?

Astrophysik: Sucht in der Astrophysics Source Code Library
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Abell 2744: Pandoras Galaxienhaufen

Das Bildfeld ist mit Galaxien gefüllt, in der Mitte leuchtet ein intensiv gefärbter Nebel, links unten blau, rechts oben rot, in der Mitte magentafarben.

Bildcredit: NASA, ESA, J. Merten (ITA, AOB) und D. Coe (STScI)

Beschreibung: Warum ist dieser Galaxienhaufen so durcheinander? Von einer gleichmäßigen Verteilung ist Abell 2744 weit entfernt. Er besitzt nicht nur Knoten aus Galaxien. Auch das rot gefärbte, heiße Gas im Haufen, das Röntgenlicht abstrahlt, ist offenbar anders verteilt als die dunkle Materie. Die Masse im Haufen besteht bis zu 75 Prozent aus Dunkler Materie. Sie ist im Bild blau gefärbt.

Die dunkle Materie wurde von dem Material durcheinandergewirbelt, das durch den Gravitationslinseneffekt die Verzerrung der Galaxien im Hintergrund hervorrief. Das Durcheinander stammt anscheinend von einer Zeitlupenkollision von mindestens vier kleineren Galaxienhaufen im Laufe einiger Milliarden Jahre.

Dieses Bild kombiniert Bilder im sichtbaren Licht vom Weltraumteleskop Hubble und dem Very Large Telescope VLT der ESO mit Bildern im Röntgenlicht des Weltraumteleskops Chandra. Abell 2744, der auch Pandorahaufen genannt wird, ist mehr als zwei Millionen Lichtjahre breit. Er ist mit einem wirklich großen Teleskop im Sternbild Bildhauer zu sehen.

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NGC 5584: Das Universum vergrößern

Bildfüllend ist eine Spiralgalaxie mit losen, zerfledderten Spiralarmen abgebildet, in denen sich Büschel aus blauen jungen Sternhaufen befinden. Das Zentrum in der Mitte wirkt relativ klein.

Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU), L. Macri (Texas A und M Univ.) et al., Hubble-Vermächtnis (STScI/AURA)

Beschreibung:  Die große, schöne Galaxie NGC 5548 hat einen Durchmesser von mehr als 50.000 Lichtjahren. Sie ist 72 Millionen Lichtjahre entfernt und steht im Sternbild Jungfrau (Virgo). Die lose gewundenen Spiralarme des Inseluniversums enthalten viele junge Sternhaufen und dunkle Staubbahnen.

Doch NGC 5548 ist für Astronominnen und Astronomen nicht bloß eine weitere hübsche, von oben sichtbare Spiralgalaxie. NGC 5548 enthält etwa 250 veränderliche Sterne, sogenannte Cepheiden. Außerdem explodierte dort kürzlich eine Supernova vom Typ Ia. Cepheiden und Typ-Ia-Supernovae sind Schlüsselobjekte der astronomischen Entfernungsbestimmung.

NGC 5548 ist eine von acht Galaxien einer neuen Studie, bei der anhand zusätzlicher Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops Hubble die Bestimmung der Hubble-Konstante – die Expansionsrate des Universums – verbessert werden soll.

Die Ergebnisse der Studie stärken die Theorie, dass tatsächlich Dunkle Energie für die beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich ist. Dies schwächt Modelle, in denen die beobachtete Beschleunigung ohne die geheimnisvolle Dunkle Energie erklärt wird. Viele der kleinen, rötlichen Flecken auf diesem scharfen Hubble-Bild von NGC 5548 sind weiter entfernte Galaxien.

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Polarring-Galaxie NGC 660

Mitten im Bild schwebt eine seitlich sichtbare, verkrmmte Polarringgalaxie, die von einem Ring aus Sterntrümmern gekreuzt wird. Darum sind Sterne lose verteilt.

Bildcredit und Bildrechte: Stephen Leshin

Beschreibung: NGC 660 liegt mitten in dieser Himmelslandschaft im Sternbild Fische. Sie ist mehr als 20 Millionen Lichtjahre entfernt. Ihre seltsame Erscheinung kennzeichnet sie als Polarring-Galaxie. Mitglieder dieser seltenen Galaxienart besitzen eine beträchtliche Population an Sternen, Gas und Staub, die in Ringen kreisen, welche fast senkrecht zur galaktischen Scheibe stehen.

Diese bizarre Konfiguration könnte durch das zufällige Einfangen von Materie aus einer vorbeiziehenden Galaxie durch die Scheibengalaxie entstanden sein, wobei die eingefangenen Trümmer zu einem rotierenden Ring auseinandergezogen wurden. Mit der Polarring-Komponente kann die Form des an sich unsichtbaren Hofes aus Dunkler Materie erforscht werden, indem der gravitative Einfluss der Dunklen Materie auf den Ring und die Scheibe berechnet wird.

Der Ring von NGC 660 ist breiter als die Scheibe, er umfasst etwa 40.000 Lichtjahre.

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Galaxiehnaufen Abell 1689 vergrößert das dunkle Universum

Im Bild sind viele Lichtflecken verteilt, die fast allesamt Galaxien sind. In der Mitte sind sie von einen blauen Nebel umgeben.

Credit: NASA, ESA, E. Jullo (JPL), P. Natarajan (Yale) und J.-P. Kneib (LAM, CNRS); Danksagung an H. Ford, N. Benetiz (JHU) und T. Broadhurst (Tel Aviv)

Beschreibung: Was ist mit diesem Galaxienhaufen los? Um herauszufinden, welche Formen an Materie der Haufen Abell 1689 enthält, braucht man nicht nur genaue Bilder von Teleskopen wie dem Weltraumteleskop Hubble, sondern auch detaillierte Computermodelle.

Fast jedes verschwommene gelbe Fleckchen im Bild ist eine ganze Galaxie. Eine genaue Untersuchung zeigt, dass viele Galaxien im Hintergrund auf seltsame Weise vergrößert und durch die Gravitationslinse des Haufens zu langen, gekrümmten Bögen verzerrt sind. Computeranalysen der Platzierung und Glätte dieser Bögen lassen vermuten, dass der Haufen zusätzlich zu der Materie in den Galaxien, die wir sehen, auch eine erhebliche Menge an Dunkler Materie enthält, die etwa wie in dem Modell verteilt ist, das in Purpur digital darübergelegt wurde.

Abell 1689 bleibt dennoch rätselhaft, weil die Bögen so zahlreich und vielfältig sind, dass es kein Modell für Dunkle Materie gibt, das alle Bögen erklären kann und trotzdem mit den Modellen für Dunkle Materie übereinstimmt, die für die Einschränkung ihrer Bewegung benötigt werden.

Die detailreiche Information, die durch Galaxienhaufen wie Abell 1689 verfügbar ist, lässt hoffen, dass eines Tages eine vollständige Erklärung gefunden wird, die nicht nur die Dunkle Materie in Haufen vollständig erklärt, sondern auch den Anteil an Dunkler Energie im Universum, die in der Sichtlinie zu den fernen Bögen nötig ist.

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Schwache Gravitationslinsen verzerren das Universum

In einem Quader, der von weißen Linien skizziert ist, befindet sich ein rötliches Gespinst, in dem die Bahnen von drei Objekten markiert sind. An den Enden der Bahnen sind cyanfarbene Ovale.

Credit: S. Colombi (IAP), CFHT Team

Ist das ferne Universum wirklich so, wie wir es sehen? Weltraumforschende hoffen das nicht. Die Dunkle Materie im Raum dazwischen, die normalerweise unsichtbar ist, zeigt vielleicht ihre Präsenz, indem sie Bilder aus dem fernen Universum verzerrt, ähnlich wie ein altes Fenster Bilder von der anderen Seite verformt.

Wenn man feststellt, wie sehr die Hintergrundgalaxien ungewöhnlich flach und ihren Nachbargalaxien auffallend ähnlich erscheinen, kann man die Verteilung der Dunklen Materie abschätzen, die diese schwache Gravitationslinsenverzerrung verursacht.

Mit dem Canada-France-Hawaii-Teleskop (CFHT) wurden 200.000 weit entfernten Galaxien aufgenommen. Die Auswertung der Formen dieser Galaxien lässt ein massereiches Netzwerk von verteilter Dunkler Materie vermuten. Aus künftigen Ergebnissen kann man vielleicht sogar Details dieser Verteilung erkennen.

Dieses computergenerierte Simulationsbild zeigt, wie Dunkle Materie (rot) den Lichtweg und die scheinbare Form von weit entfernten Galaxien – blau dargestellt – verzerrt.

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Hinweise auf einen riesigen Hohlraum im fernen Universum

Siehe Beschreibung. Ein Klick auf das Bild liefert die höchste verfügbare Auflösung.

Illustrationscredit: Bill Saxton, U. Minnesota, NRAO, AUI, NSF NASA

Beschreibung: Wie entstand diese schier unermessliche Leere im Universum? Niemand weiß das genau, und sogar die Ausdehnung der Leere von schätzungsweise einer Milliarde Lichtjahre wird noch untersucht. Diese Leere ist kein Loch im Raum wie etwa ein Schwarzes Loch, sondern anscheinend eher eine riesige Region im Universum, die weitgehend frei von normaler (baryonscher) Materie und sogar von Dunkler Materie ist. Vermutlich enthält sie jedoch Dunkle Energie und ist offensichtlich lichtdurchlässig.

Die Existenz dieses Hohlraums wurde postuliert, nachdem es Spekulationen darüber gab, warum auf der Karte von WMAP in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB) ungewöhnlich kalte Stellen auftreten. Eine Möglichkeit wäre, dass diese CMB-Region nicht wirklich sehr kalt ist, sondern das Licht an dieser Stelle auf irgendeine Weise weniger rotverschoben ist, als es eigentlich sein müsste.

Es sind auch andere Hohlräume im Universum bekannt, doch diese Leere scheint einen ungewöhnlichen Gravitationseinfluss auszuüben und ist daher vermutlich die größte derartige Stelle im gesamten sichtbaren Universum. Weitere Forschungen ergaben kürzlich, dass sich zwischen der Erde und dieser kalten Stelle in der Hintergrundstrahlung ungewöhnlich wenige kosmische Radioquellen befinden, was zur Schlussfolgerung auf diese riesige Leere führte. Oben sehen Sie eine künstlerische Illustration der riesigen kosmischen Leere.

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Haufenkollision beleuchtet Rätsel um Dunkle Materie

In Abell 520 kollidieren riesige Galaxienhaufen, die Verteilung von normaler und Dunkler Materie ist unterschiedlich.

Credits: Röntgen: NASA / CXC / U. Victoria / A. Mahdavi et al.; Optisch/Linseneffekt: CFHT / U. Victoria / A. Mahdavi et al.

In Abell 520 kollidieren riesige Galaxienhaufen – so viel steht fest. Astrophysiker können jedoch nicht mit Sicherheit sagen, warum die Dunkle Materie von der normalen Materie getrennt vorkommt.

Dieses Kompositbild in verschiedenen Wellenlängen zeigt die Dunkle Materie in Falschfarbenblau, indem sorgfältig ermittelt wurde, auf welche Weise der Haufen das Licht weiter entfernter Galaxien verzerrt. Sehr heißes Gas – eine Form normaler Materie – ist in Falschfarbenrot dargestellt. Dieses Gas wurde mit dem Röntgen-Weltraumteleskop Chandra im Erdorbit erfasst. Einzelne Galaxien, in denen normale Materie vorherrscht, leuchten gelblich oder weiß.

Nach herkömmlicher Meinung werden sowohl normale als auch Dunkle Materie durch die Gravitation zusammengehalten und sollten daher in Abell 520 gleichmäßig verteilt sein. Bei genauer Betrachtung des Bildes zeigt sich jedoch ein überraschender Mangel an Dunkler Materie in der Konzentration sichtbarer Galaxien.

Eine mögliche Erklärung besagt, dass diese Diskrepanz durch die großen Galaxien verursacht wird, die in eine Art herkömmliche Gravitationsschleuder geraten sind. Einer umstritteneren Hypothese zufolge kollidiert die Dunkle Materie auf eine nie zuvor beobachtete nicht-gravitative Weise mit sich selbst.

Weitere Simulationen und Beobachtungen dieses Haufens könnten dieses Rätsel lösen.

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