Dunkle Materie ist seit ihrer ersten Vorstellung ein Mysterium. Neben dem Versuch, direkte Beweise für seine Existenz zu finden, haben Wissenschaftler in den letzten Jahrzehnten auch theoretische Modelle entwickelt, um seine Funktionsweise zu erklären. In den letzten Jahren war die verbreitete Auffassung, dass Dunkle Materie „kalt“ ist und sich in Klumpen im gesamten Universum verteilt, eine Beobachtung, die von der Planck-Mission Daten.
Eine neue Studie eines internationalen Forscherteams zeichnet jedoch ein anderes Bild. Verwendung von Daten aus dem Kilograd-Umfrage (KiDS) untersuchten diese Forscher, wie das Licht von Millionen entfernter Galaxien durch den gravitativen Einfluss der Materie auf den größten Skalen beeinflusst wird. Sie fanden heraus, dass Dunkle Materie glatter im Raum verteilt zu sein scheint, als bisher angenommen.
Die KiDS-Umfrage nutzt seit fünf Jahren die VLT-Vermessungsteleskop (VST) – das größte Teleskop der ESO La Silla Paranal-Observatorium in Chile – um 1500 Quadratgrad des südlichen Nachthimmels zu vermessen. Dieses Raumvolumen wurde in vier Bändern (UV, IR, grün und rot) mit schwacher Gravitationslinse und photometrischen Rotverschiebungsmessungen überwacht.
All-Sky-Survey-Daten des Planck-Weltraumteleskops der ESA. Bildnachweis: ESA
Im Einklang mit Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie , Gravitationslinseneffekt beinhaltet die Untersuchung, wie das Gravitationsfeld eines massiven Objekts das Licht beugt. Unterdessen versucht die Rotverschiebung, die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich andere Galaxien von unserer entfernen, indem sie das Ausmaß misst, in dem ihr Licht in Richtung des roten Endes des Spektrums verschoben wird (d. h. seine Wellenlänge wird länger, je schneller sich die Quelle entfernt).
Gravitationslinsen sind besonders nützlich, wenn es darum geht, zu bestimmen, wie das Universum entstanden ist. Unser aktuelles kosmologisches Modell, bekannt als Lambda Kalte Dunkle Materie (Lambda CDM)-Modell besagt, dass Dunkle Energie für die späte Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich ist und dass Dunkle Materie aus massiven Teilchen besteht, die für die kosmologische Strukturbildung verantwortlich sind.
Mit einer leichten Variation dieser Technik, die als kosmische Scherung bekannt ist, untersuchte das Forschungsteam Licht von entfernten Galaxien, um zu bestimmen, wie es durch das Vorhandensein der größten Strukturen im Universum (wie Superhaufen und Filamente) verzerrt wird. Als Dr. Hendrik Hildebrandt – ein Astronom aus dem Argelander Institut für Astronomie (AIfA) und der Hauptautor des Papiers – sagte Universe Today per E-Mail:
„Normalerweise stellt man sich eine große Masse wie einen Galaxienhaufen vor, der diese Lichtablenkung verursacht. Aber es gibt auch überall im Universum Materie. Das Licht entfernter Galaxien wird durch diese sogenannte großräumige Struktur ständig abgelenkt. Dies führt dazu, dass Galaxien, die sich nahe am Himmel befinden, in die gleiche Richtung „zeigen“. Es ist ein winziger Effekt, aber er kann mit statistischen Methoden an großen Galaxienproben gemessen werden. Wenn wir gemessen haben, wie stark Galaxien in die gleiche Richtung „zeigen“, können wir daraus die statistischen Eigenschaften der großräumigen Struktur ableiten, z. die mittlere Materiedichte und wie stark die Materie verklumpt/verklumpt ist.“
Ein seltenes Phänomen, das als 'Sprites' bekannt ist, wird über dem La-Silla-Observatorium in Chile beobachtet, Credit: ESO/Petr Horálek
Mit dieser Technik führte das Forschungsteam eine Analyse von 450 Quadratgraden von KiDS-Daten durch, was etwa 1% des gesamten Himmels entspricht. Innerhalb dieses Raumvolumens beobachteten sie, wie das Licht von etwa 15 Millionen Galaxien mit der gesamten Materie interagiert, die zwischen ihnen und der Erde liegt.
Durch die Kombination der extrem scharfen Bilder von VST mit fortschrittlicher Computersoftware konnte das Team eine der genauesten Messungen der kosmischen Scherung durchführen, die jemals gemacht wurden. Interessanterweise stimmten die Ergebnisse nicht mit denen der Planck-Mission der ESA überein, die bisher die umfassendste Kartierung des Universums war.
Die Planck-Mission hat einige wunderbar detaillierte und genaue Informationen über den Cosmic Microwave Background (CMB) geliefert. Dies hat Astronomen geholfen, das frühe Universum zu kartieren und Theorien über die Verteilung der Materie in dieser Zeit zu entwickeln. Hildebrandt erklärte:
„Aus den Temperaturschwankungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds misst Planck viele kosmologische Parameter mit höchster Präzision, also physikalische Prozesse, die 400.000 Jahre nach dem Urknall stattfanden. Zwei dieser Parameter sind die mittlere Materiedichte des Universums und ein Maß dafür, wie stark diese Materie verklumpt ist. Mit der kosmischen Scherung messen wir auch diese beiden Parameter, jedoch zu viel späteren kosmischen Zeiten (vor einigen Milliarden Jahren oder ~10 Milliarden Jahren nach dem Urknall), also in unserer jüngeren Vergangenheit.“
Das kosmologische Modell des LCDM geht von der Existenz von Dunkler Materie und Dunkler Energie aus und beide spielten eine aktive Rolle bei der Entstehung des Universums. Quelle: Wikipedia Commons/Alex Mittelmann
Hildebrandt und sein Team fanden jedoch Werte für diese Parameter, die deutlich niedriger waren als die von Planck gefundenen. Grundsätzlich legen ihre Ergebnisse zur kosmischen Scherung nahe, dass es im Universum weniger Materie gibt und weniger geclustert ist, als die Planck-Ergebnisse vorhergesagt haben. Diese Ergebnisse dürften in den kommenden Jahren Auswirkungen auf kosmologische Studien und die theoretische Physik haben.
So wie es aussieht, bleibt Dunkle Materie mit Standardmethoden nicht nachweisbar. Wie bei Schwarzen Löchern kann seine Existenz nur aus den beobachtbaren Gravitationseffekten geschlossen werden, die es auf sichtbare Materie ausübt. In diesem Fall werden seine Präsenz und grundlegende Natur daran gemessen, wie es die Entwicklung des Universums in den letzten 13,8 Milliarden Jahren beeinflusst hat. Da die Ergebnisse jedoch widersprüchlich zu sein scheinen, müssen Astronomen jetzt möglicherweise einige ihrer bisherigen Vorstellungen überdenken.
„Es gibt mehrere Möglichkeiten: Da wir die dominierenden Bestandteile des Universums (dunkle Materie und dunkle Energie) nicht verstehen, können wir mit den Eigenschaften beider spielen“, sagt Hildebrandt. „Zum Beispiel könnten verschiedene Formen dunkler Energie (komplexer als die einfachste Möglichkeit, die Einsteins „kosmologische Konstante“ ist) unsere Messungen erklären. Eine weitere spannende Möglichkeit ist, dass dies ein Zeichen dafür ist, dass sich die Gesetze der Gravitation auf der Skala des Universums von der Allgemeinen Relativitätstheorie unterscheiden. Alles, was wir vorerst sagen können, ist, dass etwas nicht ganz zu stimmen scheint!“
