Kleine Mengen dunkler Materie erzeugen viel stärkere Gravitationsverzerrungen, als man erwartet hätte
Dunkle Materie ist für Astronomen schwer zu untersuchen, aber das hält sie nicht davon ab, es zu versuchen. Und mit Geschick und Entschlossenheit finden sie immer wieder spannende Dinge über das Unsichtbare.
Da Dunkle Materie kein Licht emittiert oder absorbiert, gibt es nur wenige Möglichkeiten, die Verteilung der Dunklen Materie im Kosmos zu bestimmen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Gruppierung von Galaxien in Superhaufen zu betrachten. Die Idee ist, dass Galaxien dort sind, wo dunkle Materie am häufigsten vorkommt, da dunkle Materie eine Anziehungskraft auf nahegelegene Materie ausübt. Die von uns beobachtete Clusterbildung ist in allgemeine Übereinstimmung mit Modellen für dunkle Materie.
Eine andere Möglichkeit, dunkle Materie zu untersuchen, besteht darin, zu sehen, wie sie Licht verbiegt. Licht wird oft als gravitative Linse um Galaxien und Galaxienhaufen gesehen. Indem wir messen, wo die Linsenbildung des Lichts auftritt, können wir eine ungefähre Vorstellung davon bekommen, wie dunkle Materie geclustert ist. Daraus leiten wir ab, dass dunkle Materie tendenziell innerhalb von Galaxienhaufen weit verbreitet. Aber eine neue Studie zum Gravitationslinseneffekt hat uns einige Überraschungen beschert.
Der Superhaufen MACS J1206 mit Linsenbildung in der Nähe einzelner Galaxien. Bildnachweis: NASA, ESA, P. Natarajan, G. Caminha, M. Meneghetti und die CLASH-VLT/Zooming-Teams
Kürzlich nutzte ein Team Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops und des Very Large Telescope. Durch die Kombination von Daten konnten sie hochauflösende Gravitationslinsenkarten einiger weniger Galaxienhaufen erstellen. Sie fanden die gesamten Linseneffekte, die wir zuvor gesehen haben, aber sie fanden auch starke Linseneffekte um mehrere einzelne Galaxien innerhalb der Haufen.
Dies bedeutet, dass dunkle Materie innerhalb einzelner Galaxien dicht gebündelt sein muss, da nur dichte dunkle Materie eine starke Gravitationslinse erzeugen kann. Mit anderen Worten, dunkle Materie scheint viel stärker zu verklumpen, als wir dachten.
Wir sind uns nicht ganz sicher, warum diese starke Anhäufung von Dunkler Materie auftritt, aber sie schließt einige Theorien der Dunklen Materie aus. Wir wissen zum Beispiel, dass dunkle Materie größtenteils „kalt“ sein muss, was bedeutet, dass sich einzelne Teilchen der Dunklen Materie nicht mit hohen Geschwindigkeiten durch den Weltraum bewegen können. Dies ist einer der Gründe, warum wir wissen, dass Neutrinos keine Dunkle Materie bilden können. Während Neutrinos nicht stark mit Licht wechselwirken und daher eine Form von „dunkler“ Materie sind, sind Neutrinos „heiß“, weil sie sich mit einem großen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Heiße dunkle Materie bildet nicht die Art von Klumpen, die wir in dunkler Materie sehen.
Um die dichten Klumpen zu bilden, die in diesem neuen Ergebnis zu sehen sind, muss zumindest ein Teil der dunklen Materie ziemlich kalt sein. Die große Frage ist, wie es so kalt werden konnte. Eine Idee ist, dass dunkle Materie mit sich selbst interagiert. Wenn Dunkle Materie durch die Schwerkraft verklumpt wird, können Partikel der Dunklen Materie auf eine Weise kollidieren, die Energie freisetzt und so die Dunkle Materie abkühlt. Wir sehen diese Art der Abkühlung in normaler Materie, aber gewöhnliche Materie tut dies, indem sie Lichtenergie freisetzt.
Einige Theorien der Dunklen Materie schlagen eine Form der Dunklen Materie vor, die bei Wechselwirkung auch Licht freisetzen kann. Aber bisher sind Studien, die nach solch emittiertem Licht gesucht haben, leer geblieben.
Wie viele Studien zur Dunklen Materie beantwortet diese neue Arbeit Fragen zur Dunklen Materie und wirft sie auf. Das Team hofft, dass zukünftige Studien das Spektrum möglicher Theorien weiter eingrenzen werden, aber bis dahin tappen wir noch ein wenig im Dunkeln.
Referenz:Massimo Meneghetti et al. ' Ein Überschuss an kleinräumigen Gravitationslinsen, die in Galaxienhaufen beobachtet wurden . 'WissenschaftFlug. 369, Nr. 6509, (2020).