Dunkle Materie war seit ihrem ersten Vorschlag ein Rätsel. In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler nicht nur versucht, direkte Beweise für seine Existenz zu finden, sondern auch theoretische Modelle entwickelt, um zu erklären, wie es funktioniert. In den letzten Jahren war die populäre Vorstellung, dass Dunkle Materie „kalt“ und in Klumpen im gesamten Universum verteilt ist, eine Beobachtung, die durch die Planck-Missionsdaten gestützt wird.
Eine neue Studie eines internationalen Forscherteams zeichnet jedoch ein anderes Bild. Mithilfe von Daten aus dem Kilo Degree Survey (KiDS) untersuchten diese Forscher, wie das Licht, das von Millionen entfernter Galaxien kommt, durch den Gravitationseinfluss von Materie auf die größte Skala beeinflusst wird. Was sie fanden, war, dass Dunkle Materie im Raum reibungsloser verteilt zu sein scheint als bisher angenommen.
In den letzten fünf Jahren wurden bei der KiDS-Vermessung mit dem VLT-Vermessungsteleskop (VST) - dem größten Teleskop am La Silla Paranal-Observatorium der ESO in Chile - 1500 Quadratmeter des südlichen Nachthimmels vermessen. Dieses Raumvolumen wurde in vier Bändern (UV, IR, Grün und Rot) unter Verwendung schwacher Gravitationslinsen und photometrischer Rotverschiebungsmessungen überwacht.
In Übereinstimmung mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beinhaltet die Gravitationslinse die Untersuchung, wie das Gravitationsfeld eines massiven Objekts das Licht biegt. In der Zwischenzeit versucht die Rotverschiebung, die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich andere Galaxien von unserer entfernen, indem gemessen wird, inwieweit sich ihr Licht zum roten Ende des Spektrums hin verschiebt (d. H. Seine Wellenlänge wird länger, je schneller sich die Quelle entfernt).
Gravitationslinsen sind besonders nützlich, um festzustellen, wie das Universum entstanden ist. Unser aktuelles kosmologisches Modell, bekannt als Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM) -Modell, besagt, dass Dunkle Energie für die spätzeitige Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich ist und dass Dunkle Materie aus massiven Teilchen besteht, die dafür verantwortlich sind zur kosmologischen Strukturbildung.
Unter Verwendung einer geringfügigen Variation dieser als kosmisches Schiere bekannten Technik untersuchte das Forscherteam Licht von entfernten Galaxien, um festzustellen, wie es durch das Vorhandensein der größten Strukturen im Universum (wie Supercluster und Filamente) verzerrt wird. Wie Dr. Hendrik Hildebrandt - ein Astronom des Argelander-Instituts für Astronomie (AIfA) und Hauptautor des Papiers - dem Space Magazine per E-Mail mitteilte:
„Normalerweise denkt man an eine große Masse wie an einen Galaxienhaufen, der diese Lichtablenkung verursacht. Aber es gibt auch Materie im ganzen Universum. Das Licht entfernter Galaxien wird durch diese sogenannte großräumige Struktur kontinuierlich abgelenkt. Dies führt dazu, dass Galaxien, die sich nahe am Himmel befinden, in dieselbe Richtung „zeigen“. Es ist ein winziger Effekt, aber er kann mit statistischen Methoden aus großen Galaxienproben gemessen werden. Wenn wir gemessen haben, wie stark Galaxien in dieselbe Richtung "zeigen", können wir daraus die statistischen Eigenschaften der großräumigen Struktur ableiten, z. die mittlere Materiedichte und wie stark die Materie verklumpt ist. “
Mit dieser Technik führte das Forscherteam eine Analyse von 450 Quadratgrad KiDS-Daten durch, was etwa 1% des gesamten Himmels entspricht. Innerhalb dieses Raumvolumens wurde beobachtet, wie das Licht von etwa 15 Millionen Galaxien mit der gesamten Materie interagierte, die zwischen ihnen und der Erde liegt.
Das Team kombinierte die extrem scharfen Bilder von VST mit fortschrittlicher Computersoftware und konnte eine der genauesten Messungen durchführen, die jemals an kosmischer Scherung durchgeführt wurden. Interessanterweise stimmten die Ergebnisse nicht mit denen der Planck-Mission der ESA überein, die bislang die umfassendste Karte des Universums war.
Die Planck-Mission hat einige wunderbar detaillierte und genaue Informationen über den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) geliefert. Dies hat Astronomen geholfen, das frühe Universum abzubilden und Theorien darüber zu entwickeln, wie Materie in dieser Zeit verteilt wurde. Wie Hildebrandt erklärte:
„Planck misst viele kosmologische Parameter mit exquisiter Präzision anhand der Temperaturschwankungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, d. H. Physikalischer 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 kosmischer Scherung messen wir auch diese beiden Parameter, jedoch viel später in kosmischen Zeiten (vor einigen Milliarden Jahren oder ~ 10 Milliarden Jahren nach dem Urknall), d. H. In unserer jüngeren Vergangenheit. “
Hildebrandt und sein Team fanden jedoch Werte für diese Parameter, die signifikant niedriger waren als die von Planck gefundenen. Grundsätzlich deuten ihre kosmischen Scherergebnisse darauf hin, dass es im Universum weniger Materie gibt und dass sie weniger gruppiert ist als von den Planck-Ergebnissen vorhergesagt. Diese Ergebnisse dürften sich in den kommenden Jahren auf kosmologische Studien und die theoretische Physik auswirken.
So wie es aussieht, bleibt Dunkle Materie mit Standardmethoden nicht nachweisbar. Wie bei Schwarzen Löchern kann seine Existenz nur aus den beobachtbaren Gravitationseffekten auf sichtbare Materie abgeleitet werden. In diesem Fall werden seine Präsenz und seine fundamentale 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 möglicherweise einige ihrer zuvor vertretenen 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", sagte Hildebrandt. „Zum Beispiel könnten verschiedene Formen der Dunklen Energie (komplexer als die einfachste Möglichkeit, die Einsteins„ kosmologische Konstante “ist) unsere Messungen erklären. Eine weitere aufregende Möglichkeit ist, dass dies ein Zeichen dafür ist, dass sich die Gravitationsgesetze auf der Skala des Universums von der Allgemeinen Relativitätstheorie unterscheiden. Im Moment können wir nur sagen, dass etwas nicht ganz richtig zu sein scheint! “
