Woraus besteht das Universum? Mach dir keine Sorgen, wenn du keine Ahnung hast, Astronomen auch nicht. James Jee von der Johns Hopkins University verwendete das Hubble-Weltraumteleskop, um eine detaillierte Karte der Konzentrationen dunkler Materie um zwei Galaxien zu erstellen. Und Astronomen haben gerade neue Hinweise bekommen.
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Fraser Cain: Wir haben den Begriff Dunkle Materie schon ziemlich oft gehört. Können Sie uns das aktuelle Verständnis dafür geben, was dunkle Materie ist?
Dr. James Jee: Bevor ich über dunkle Materie spreche, muss ich erwähnen, was Astronomen jetzt glauben, wie das Universum zu dem gekommen ist, was es heute ist. Wir glauben, dass 30% des Universums Materie und die anderen 70% dunkle Energie sind und dunkle Materie mehr als 90% der Materie im Universum ausmacht. Niemand hat dunkle Materie in den Labors entdeckt, daher kennen sie Form, Farbe oder Geruch nicht, aber es gibt Hinweise darauf, dass sie vorhanden ist. Wir können es durch die sogenannte Gravitationslinse erkennen.
Fraser: Sie haben kürzlich eine Umfrage mit dem Hubble-Weltraumteleskop durchgeführt, um die Konzentration der Dunklen Materie abzubilden. Was war der Prozess, um das zu tun?
Dr. Jee: Dunkle Materie macht, wie gesagt, 90% der Materie im Universum aus, und der beste Ort, um nach dunkler Materie zu suchen, ist dort, wo sie am meisten vorhanden ist. Also haben wir das Hubble-Weltraumteleskop auf zwei der interessantesten Galaxienhaufen gerichtet, die sich gebildet haben, als das Universum halb so alt war wie heute.
Fraser: Und was hast du gesehen?
Dr. Jee: Wir haben die spektrale Verteilung der Hintergrundgalaxien untersucht. Durch Untersuchung der Verzerrung dieser Hintergrundgalaxien konnten wir die Dichte der dunklen Materie im Vordergrund bestimmen.
Fraser: Lassen Sie mich sehen, ob ich das richtig verstehe. Sie haben entfernte Galaxien betrachtet, und als Sie sahen, wie sich das Licht auf uns zu veränderte, konnten Sie erkennen, wo sich verborgene Materieklumpen befanden, die es gravitativ beeinflussten.
Dr. Jee: Genau. Vielleicht ist das eine gute Analogie. Angenommen, Sie lesen einen Nachrichtenartikel mit einer Lupe. Sie können auf die Stärke oder Dicke der Linsen schließen, indem Sie untersuchen, wie viel die Buchstaben durch die Lupe größer aussehen. Wenn Sie sich die Verzerrung oder Vergrößerung der Hintergrundgalaxien ansehen, können Sie auch die Dichte der schwer fassbaren dunklen Materie im Vordergrund bestimmen.
Fraser: Wie ist also die Beziehung zwischen dunkler Materie und den Galaxien, die wir sehen können?
Dr. Jee: Es ist die dominierende Materie im Universum und es hat Schwerkraft. Ohne dunkle Materie ist es sehr schwierig, Galaxien mit den großräumigen Strukturen zu bilden, die wir im heutigen Universum sehen. Dunkle Materie hilft also definitiv bei der Bildung von Galaxien in der großräumigen Struktur.
Fraser: Ist es also möglich, dass wir dort, wo immer die dunkle Materie verklumpt, wahrscheinlich Galaxien sehen werden?
Dr. Jee: Ja, das haben wir im Grunde in unserer Forschung gefunden. Die Leute haben spekuliert, dass dunkle Materie kollisionsfreie Teilchen sind und die dunkle Materie und die normale Materie zusammen existieren sollten. Aber niemand konnte dies sehr klar bestimmen, da die dunkle Materie keine elektromagnetischen Wellen aussendet. Was wir mit dem Hubble gefunden haben, ist, dass sich die leuchtenden Galaxien in den dichtesten Regionen dieser Halos aus dunkler Materie bilden.
Fraser: Wenn wir wissen, dass diese Art von Verklumpung stattfindet - die beiden scheinen Hand in Hand zu gehen - können Sie dann existierende Theorien darüber, was diese dunkle Materie sein könnte, verwerfen?
Dr. Jee: Ja, das gibt uns viele Hinweise. Die meisten Menschen glauben, dass dunkle Materie kollisionsfrei ist, aber einige schlagen vor, dass sie einige Kollisionseigenschaften wie Wasserstoffgas haben könnten. Die Art und Weise, wie dunkle Materie zusammenklumpt, gibt uns Hinweise darauf, was die dunkle Materie ist. Angenommen, die Dunkle Materie hat Kollisionseigenschaften wie das Wasserstoffatom, dann kollidieren sie sehr häufig miteinander und wir sehen eine sehr gleichmäßige Verteilung eines Halos der Dunklen Materie. Wir haben jedoch festgestellt, dass diese Strukturen sehr klumpig sind, wie die Masse einer Galaxie selbst. Dies weist darauf hin, dass Teilchen der Dunklen Materie, wenn überhaupt, kollisionsfreie Teilchen sind, wie die meisten Theorien in der heutigen Astronomie sagen.
Fraser: Oh, ich verstehe, also sind die tatsächlichen Partikel, die diese dunkle Materie verursachen könnten, entweder so klein oder so schwach wechselwirkend, dass sie nicht einmal zusammenknallen. Und wenn sie zusammen bumsen würden, würden Sie tatsächlich einen gleichmäßigeren Spray der Verteilung sehen. Was wäre dann, basierend auf den Erkenntnissen, die Sie erhalten haben, die nächste Stufe Ihrer Forschung?
Dr. Jee: Das Advanced Camera for Surveys-Programm umfasst mehr als 15 Galaxienhaufen, die sehr, sehr interessant sind. Dies sind nur die ersten beiden Ergebnisse. Wir glauben, dass wir, wenn wir unsere 15 Galaxienhaufen für die Umfrage vervollständigen, ein klareres Bild davon haben, wie die dunkle Materie und die normale Materie interagieren, möglicherweise durch die Schwerkraft zusammen. Und wir haben vielleicht eine klarere Vorstellung davon, wie die dunkle Materie zur Bildung der großräumigen Struktur des Universums beiträgt.
Fraser: Und basierend auf den Forschungen, die Sie bisher durchgeführt haben, haben Sie eine Haustiertheorie für die dunkle Materie?
Dr. Jee: Nun, wenn Sie auf die Astro-ph-Website gehen, ist dies die Website, auf der die Leute ihre verschiedenen Forschungsarbeiten hochladen, und es gibt ungefähr 10 oder 15 Arbeiten pro Tag. Und es gibt viele Spekulationen darüber, die sehr attraktiv und plausibel sind. Aber ich denke, die Natur der Dunklen Materie kann in 10 oder 15 Jahren beantwortet werden, aber wir suchen immer noch. Unsere Forschung liefert eine beispiellose Auflösung der Dunklen Materie, die zwischen kollisions- und kollisionsfreien Partikeln unterscheiden kann.
Fraser: Und gibt es andere Instrumente als Hubble, die diese Arbeit leisten können?
Dr. Jee: Wir können die Gravitationslinsen mit den bodengestützten Teleskopen durchführen. Tatsächlich entdeckten die Menschen die dunkle Materie erstmals 1990 mithilfe von Gravitationslinsen. Wenn Sie jedoch die Gravitationslinse mit einem bodengestützten Teleskop durchführen, ist die Auflösung so schlecht. Mit anderen Worten, die atmosphärischen Turbulenzen verschmieren die Gravitationslinsen, sodass wir kein Bild der dunklen Materie von sehr hoher Qualität sehen können. Wenn wir das Teleskop jedoch im Weltraum verwenden, verwischt es nicht die Form des Hintergrundbilds, sodass Sie das Gravitationslinsensignal erhalten. Wir können ein sehr hochauflösendes Bild der Verteilung der dunklen Materie liefern.
Fraser: Und ein größeres Instrument würde Ihnen ein besseres Bild geben.
Dr. Jee: Auf jeden Fall. Das nächste Teleskop ist das JWST (James Webb Space Telescope), das die Auflösung der Bedeutung der Dunklen Materie effektiv um den Faktor 10 oder mehr erhöht.
Fraser. Denken Sie, dass Sie mit der 10-fachen Auflösung etwas ganz anderes sehen würden?
Dr. Jee: Die globale Form der Verteilung der Dunklen Materie wird sich nicht sehr ändern, aber in diesem Fall können wir möglicherweise die Struktur der Dunklen Materie in Bezug auf die Galaxien vergleichen. In diesem Fall können wir möglicherweise beantworten, ob die Partikel der dunklen Materie einige Kollisionseigenschaften haben. Am Anfang habe ich gesagt, dass das, was ich gefunden habe, mit der kollisionsfreien Hypothese übereinstimmt. Es gab jedoch einige Hinweise darauf, dass Partikel der dunklen Materie einige sehr kleine Kollisionseigenschaften haben könnten. So konnten wir den Versatz zwischen dunkler Materie und Galaxienmaterie bestimmen. Das gibt Ihnen viele mögliche Einschränkungen für die Kollisionsquerschnitte zwischen normalen und dunklen Materieteilchen.
Diese Forschung wurde am 13. Dezember 2005 im Space Magazine berichtet.
