Dunkle Materie ist für alle unsere Instrumente unsichtbar, aber das bedeutet nicht, dass sie nicht da ist. Ein ausreichend großes Radioteleskop sollte in der Lage sein, die Strahlung von pregalaktischem Wasserstoff abzubilden, der kurz nach dem Urknall gebildet und in alle Richtungen sichtbar ist. Jede dazwischenliegende dunkle Materie verzerrt diese Strahlung wie Wellen in einem Teich und zeigt ihre Anwesenheit und Menge.
Wenn Licht von entfernten Objekten zu uns wandert, wird sein Weg durch die Gravitationseffekte der Dinge, an denen es vorbeigeht, leicht gebogen. Dieser Effekt wurde erstmals 1919 für das Licht entfernter Sterne beobachtet, die nahe an der Sonnenoberfläche vorbeiziehen, was beweist, dass Einsteins Gravitationstheorie eine bessere Beschreibung der Realität ist als die von Newton. Die Biegung verursacht eine erkennbare Verzerrung der Bilder entfernter Galaxien, analog zur Verzerrung einer entfernten Szene, die durch eine schlechte Fensterscheibe betrachtet oder in einem welligen See reflektiert wird. Die Stärke der Verzerrung kann verwendet werden, um die Stärke der Schwerkraft der Vordergrundobjekte und damit ihre Masse zu messen. Wenn für eine ausreichend große Anzahl entfernter Galaxien Verzerrungsmessungen verfügbar sind, können diese kombiniert werden, um eine Karte der gesamten Vordergrundmasse zu erstellen.
Diese Technik hat bereits präzise Messungen der typischen Masse von Vordergrundgalaxien sowie Massenkarten für eine Reihe einzelner Galaxienhaufen erstellt. Es weist jedoch einige grundlegende Einschränkungen auf. Selbst ein großes Teleskop im Weltraum kann nur eine begrenzte Anzahl von Hintergrundgalaxien sehen, maximal etwa 100.000 in jedem Himmelsfeld von der Größe des Vollmonds. Messungen von ungefähr 200 Galaxien müssen zusammen gemittelt werden, um das Gravitationsverzerrungssignal zu erfassen, so dass der kleinste Bereich, für den die Masse abgebildet werden kann, ungefähr 0,2% des Vollmonds beträgt. Die resultierenden Bilder sind inakzeptabel unscharf und für viele Zwecke zu körnig. Zum Beispiel können in solchen Karten nur die größten Materieklumpen (die größten Galaxienhaufen) mit Sicherheit entdeckt werden. Ein zweites Problem besteht darin, dass viele der entfernten Galaxien, deren Verzerrung gemessen wird, vor vielen der Massenklumpen liegen, die man abbilden möchte, und daher von ihrer Schwerkraft nicht beeinflusst werden. Um ein scharfes Bild der Masse in einer bestimmten Richtung zu erhalten, sind weiter entfernte und viel mehr Quellen erforderlich. Die MPA-Wissenschaftler Ben Metcalf und Simon White haben gezeigt, dass Funkemissionen aus der Epoche vor der Entstehung der Galaxien solche Quellen liefern können.
Ungefähr 400.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass fast seine gesamte gewöhnliche Materie in ein diffuses, nahezu gleichmäßiges und neutrales Gas aus Wasserstoff und Helium umgewandelt wurde. Einige hundert Millionen Jahre später hatte die Schwerkraft die Ungleichmäßigkeiten so weit verstärkt, dass sich die ersten Sterne und Galaxien bilden konnten. Ihr ultraviolettes Licht erwärmte das diffuse Gas dann wieder auf. Während dieser Wiedererwärmung und für einen längeren Zeitraum davor war der diffuse Wasserstoff heißer oder kühler als die vom Urknall übrig gebliebene Strahlung. Infolgedessen muss es Radiowellen mit einer Wellenlänge von 21 cm absorbiert oder emittiert haben. Durch die Ausdehnung des Universums wird diese Strahlung heute bei Wellenlängen von 2 bis 20 Metern sichtbar, und eine Reihe von Niederfrequenz-Radioteleskopen wird derzeit gebaut, um danach zu suchen. Eines der fortschrittlichsten ist das Niederfrequenz-Array (LOFAR) in den Niederlanden, ein Projekt, bei dem das Max-Planck-Institut für Astrophysik zusammen mit einer Reihe anderer deutscher Institutionen eine bedeutende Rolle spielen will.
Der pregalaktische Wasserstoff hat Strukturen aller Größen, die die Vorläufer von Galaxien sind, und es gibt bis zu 1000 dieser Strukturen in unterschiedlichen Entfernungen entlang jeder Sichtlinie. Ein Radioteleskop kann diese trennen, da Strukturen in unterschiedlichen Entfernungen Signale mit unterschiedlichen beobachteten Wellenlängen liefern. Metcalf und White zeigen, dass die Gravitationsverzerrung dieser Strukturen es einem Radioteleskop ermöglichen würde, hochauflösende Bilder der kosmischen Massenverteilung zu erzeugen, die mehr als zehnmal schärfer sind als die besten, die mit Galaxienverzerrungen erzielt werden können. Ein Objekt, dessen Masse unserer eigenen Milchstraße ähnelt, konnte bis zu der Zeit entdeckt werden, als das Universum nur 5% seines gegenwärtigen Alters hatte. Eine solche hochauflösende Bildgebung erfordert ein extrem großes Teleskoparray, das einen Bereich mit einem Durchmesser von etwa 100 km dicht abdeckt. Dies ist das 100-fache der geplanten Größe für den dicht bedeckten zentralen Teil von LOFAR und etwa das 20-fache des dicht bedeckten Kerns des Square Kilometer Array (SKA), der größten derartigen Anlage, die derzeit diskutiert wird. Ein solches Riesenteleskop könnte die gesamte Gravitationsmassenverteilung des Universums abbilden und die ultimative Vergleichskarte für Bilder liefern, die von anderen Teleskopen erzeugt wurden und nur den winzigen Teil der Masse hervorheben, der Strahlung emittiert, die sie erfassen können.
Wir müssen jedoch nicht warten, bis das Riesenteleskop mit dieser Technik beispiellose Ergebnisse erzielt. Eines der dringendsten Probleme in der gegenwärtigen Physik ist es, ein besseres Verständnis der mysteriösen Dunklen Energie zu erlangen, die derzeit die beschleunigte Expansion des Universums antreibt. Metcalf und White zeigen, dass Massenkarten eines großen Teils des Himmels, die mit einem Instrument wie SKA erstellt wurden, die Eigenschaften der Dunklen Energie genauer messen können als jede zuvor vorgeschlagene Methode, mehr als zehnmal so genau wie Massenkarten ähnlicher Größe basierend auf der Gravitation Verzerrungen der optischen Bilder von Galaxien.
Originalquelle: Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik
