Einfach ausgedrückt wird angenommen, dass Dunkle Materie nicht nur den größten Teil der Masse des Universums ausmacht, sondern auch als Gerüst fungiert, auf dem Galaxien aufgebaut sind. Um jedoch Beweise für diese mysteriöse, unsichtbare Masse zu finden, müssen sich Wissenschaftler auf indirekte Methoden verlassen, die denen zur Untersuchung von Schwarzen Löchern ähneln. Im Wesentlichen messen sie, wie sich das Vorhandensein von Dunkler Materie auf Sterne und Galaxien in ihrer Umgebung auswirkt.
Bis heute ist es Astronomen gelungen, Hinweise auf Klumpen dunkler Materie um mittlere und große Galaxien zu finden. Verwenden von Daten aus dem Hubble-Weltraumteleskop Bei einer neuen Beobachtungstechnik stellte ein Team von Astronomen der UCLA und der NASA JPL fest, dass dunkle Materie viel kleinere Klumpen bilden kann als bisher angenommen. Diese Ergebnisse wurden diese Woche auf dem 235. Treffen der American Astronomical Society (AAS) vorgestellt.
Die am weitesten verbreitete Theorie über Dunkle Materie besagt, dass sie nicht aus dem gleichen Material besteht wie baryonische (auch bekannt als normale oder „leuchtende“ Materie) - d. H. Protonen, Neutronen und Elektronen. Stattdessen wird angenommen, dass Dunkle Materie aus einer Art unbekanntem subatomaren Teilchen besteht, das nur durch die Schwerkraft mit normaler Materie interagiert, der schwächsten der Grundkräfte - die anderen sind elektromagnetische, starke und schwache Kernkräfte.
Eine andere allgemein akzeptierte Theorie besagt, dass sich Dunkle Materie im Vergleich zu anderen Arten von Partikeln langsam bewegt und daher zu Verklumpungen neigt. Entsprechend dieser Idee sollte das Universum einen breiten Bereich von Konzentrationen dunkler Materie enthalten, der von klein bis groß reicht. Bisher wurden jedoch noch keine geringen Konzentrationen beobachtet.
Mithilfe von Daten, die mit Hubbles Weitfeldkamera 3 (WFC3) erhalten wurden, suchte das Forscherteam nach Beweisen für diese kleinen Klumpen, indem es das Licht der hellen Kerne von acht entfernten Galaxien (auch bekannt als Quasare) maß, um festzustellen, wie es auf seiner Reise beeinflusst wird durch den Weltraum. Diese Technik, die von Astronomen häufig zur Untersuchung entfernter Galaxien, Sternhaufen und sogar Exoplaneten eingesetzt wird, wird als Gravitationslinse bezeichnet.
Ursprünglich von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, beruht diese Technik auf der Gravitationskraft großer kosmischer Objekte, um das Licht entfernterer Objekte zu verziehen und zu vergrößern. Daniel Gilman von der UCLA, der Mitglied des Beobachtungsteams war, erklärte den Prozess folgendermaßen:
„Stellen Sie sich vor, jede dieser acht Galaxien ist eine riesige Lupe. Kleine Klumpen dunkler Materie wirken als kleine Risse auf der Lupe und verändern die Helligkeit und Position der vier Quasarbilder im Vergleich zu dem, was Sie erwarten würden, wenn das Glas glatt wäre. “
Wie erhofft, die Hubble Bilder zeigten, dass das von diesen acht Quasaren kommende Licht einem Linseneffekt ausgesetzt war, der mit dem Vorhandensein kleiner Klumpen entlang der Sichtlinie des Teleskops und in und um die Vordergrundlinsengalaxien übereinstimmt. Die acht Quasare und Galaxien waren so genau ausgerichtet, dass der Verzerrungseffekt vier verzerrte Bilder jedes Quasars erzeugte.
Unter Verwendung ausgefeilter Computerprogramme und intensiver Rekonstruktionstechniken verglich das Team dann den Grad der Verzerrung mit Vorhersagen darüber, wie die Quasare ohne den Einfluss der Dunklen Materie aussehen würden. Diese Messungen wurden auch verwendet, um die Massen der Konzentrationen der Dunklen Materie zu berechnen, was darauf hinwies, dass sie das 1 / 10.000- bis 1 / 100.000-fache der Masse des eigenen Halos der Dunklen Materie der Milchstraße betrugen.
Die Ergebnisse des Teams sind nicht nur das erste Mal, dass kleine Konzentrationen beobachtet wurden, sondern bestätigen auch eine der grundlegenden Vorhersagen der Theorie der „Kalten Dunklen Materie“. Diese Theorie postuliert, dass die Dunkle Materie, da sie sich langsam (oder „kalt“) bewegt, Strukturen bilden kann, die von winzigen Konzentrationen bis zu enormen Konzentrationen reichen, die das Mehrfache der Masse der Milchstraße betragen.
Diese Theorie besagt auch, dass sich alle Galaxien im Universum in Wolken der Dunklen Materie gebildet haben, die als „Halos“ bekannt sind und in diese eingebettet wurden. Anstelle von Hinweisen auf kleine Klumpen haben einige Forscher vorgeschlagen, dass Dunkle Materie tatsächlich „warm“ sein könnte - d. H. Sich schnell bewegt - und daher zu schnell, um kleinere Konzentrationen zu bilden.
Die neuen Beobachtungen liefern jedoch einen endgültigen Beweis dafür, dass die Theorie der Kalten Dunklen Materie und das von ihr unterstützte kosmologische Modell - das Lambda-Kalte Dunkle Materie (? CDM) -Modell - korrekt ist. Als Teammitglied erklärte Prof. Tommaso Treu von der University of California in Los Angeles (UCLA) diese neuesten Hubble Beobachtungen liefern neue Einblicke in die Natur der Dunklen Materie und wie sie sich verhält.
"Wir haben einen sehr überzeugenden Beobachtungstest für das Modell der kalten dunklen Materie durchgeführt, der mit Bravour bestanden wird", sagte er. "Es ist unglaublich, dass Hubble nach fast 30 Jahren Betrieb innovative Einblicke in die grundlegende Physik und die Natur des Universums ermöglicht, von denen wir beim Start des Teleskops nicht einmal geträumt haben."
Anna Nierenberg, eine Forscherin des NASA Jet Propulsion Laboratory, die die Hubble Umfrage, weiter erklärt:
Die Jagd nach Konzentrationen dunkler Materie ohne Sterne hat sich als schwierig erwiesen. Das Hubble-Forschungsteam verwendete jedoch eine Technik, bei der es nicht erforderlich war, den Gravitationseinfluss von Sternen als Marker für dunkle Materie zu untersuchen. Das Team zielte auf acht mächtige und entfernte kosmische „Straßenlaternen“ ab, sogenannte Quasare (Regionen um aktive Schwarze Löcher, die enorme Lichtmengen emittieren). Die Astronomen haben gemessen, wie das Licht, das von Sauerstoff und Neongas emittiert wird, die jedes der schwarzen Löcher der Quasare umkreisen, durch die Schwerkraft einer massiven Vordergrundgalaxie verzogen wird, die als Vergrößerungslinse fungiert.
Die Anzahl der in der Studie entdeckten kleinen Strukturen bietet mehr Hinweise auf die Natur der Partikel der dunklen Materie, da ihre Eigenschaften die Anzahl der Klumpen beeinflussen würden. Die Art der Teilchen, aus denen die Dunkle Materie besteht, bleibt jedoch vorerst ein Rätsel. Glücklicherweise wird der Einsatz von Weltraumteleskopen der nächsten Generation in naher Zukunft in dieser Hinsicht voraussichtlich helfen.
Dazu gehören das James Webb-Weltraumteleskop (JWST) und das Weitfeld-Infrarot-Vermessungsteleskop (WFIRST), beide Infrarot-Observatorien, die in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden sollen. Mit ihrer ausgeklügelten Optik, ihren Spektrometern, ihrem großen Sichtfeld und ihrer hohen Auflösung können diese Teleskope ganze Regionen des Weltraums beobachten, die von massiven Galaxien, Galaxienhaufen und ihren jeweiligen Lichthöfen betroffen sind.
Dies sollte den Astronomen helfen, die wahre Natur der Dunklen Materie zu bestimmen und wie ihre Bestandteile aussehen. Gleichzeitig planen Astronomen, mit denselben Instrumenten mehr über die Dunkle Energie zu erfahren, ein weiteres großes kosmologisches Rätsel, das derzeit nur indirekt untersucht werden kann. Spannende Zeiten liegen vor uns!
