Es gibt mehr dunkle Materie als normale Materie im Universum und sie sind normalerweise alle in Galaxien miteinander vermischt. Bei einer Kollision zwischen riesigen Galaxienhaufen stoßen heiße Gaswolken in den Clustern auf Reibung, wenn sie sich gegenseitig passieren und von den Sternen trennen. Die dunkle Materie ist ebenfalls nicht von dieser Reibung betroffen, sodass Astronomen die Auswirkung ihrer Schwerkraft auf die reguläre Materie berechnen konnten.
Dunkle Materie und normale Materie wurden durch die enorme Kollision zweier großer Galaxienhaufen auseinandergerissen. Die Entdeckung unter Verwendung des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA und anderer Teleskope liefert direkte Beweise für die Existenz dunkler Materie.
"Dies ist neben dem Urknall, den wir kennen, das energischste kosmische Ereignis", sagte Teammitglied Maxim Markevitch vom Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik in Cambridge, Massachusetts.
Diese Beobachtungen liefern den bisher stärksten Beweis dafür, dass der größte Teil der Materie im Universum dunkel ist. Trotz erheblicher Hinweise auf dunkle Materie haben einige Wissenschaftler alternative Theorien für die Schwerkraft vorgeschlagen, bei denen sie auf intergalaktischen Skalen stärker ist als von Newton und Einstein vorhergesagt, wodurch die Notwendigkeit dunkler Materie entfällt. Solche Theorien können jedoch die beobachteten Auswirkungen dieser Kollision nicht erklären.
"Ein Universum, das von dunklen Dingen dominiert wird, scheint absurd, deshalb wollten wir testen, ob unser Denken grundlegende Fehler aufweist", sagte Doug Clowe von der University of Arizona in Tucson und Leiter der Studie. "Diese Ergebnisse sind ein direkter Beweis dafür, dass dunkle Materie existiert."
In Galaxienhaufen liegt die normale Materie wie die Atome, aus denen die Sterne, Planeten und alles auf der Erde bestehen, hauptsächlich in Form von heißem Gas und Sternen vor. Die Masse des heißen Gases zwischen den Galaxien ist weitaus größer als die Masse der Sterne in allen Galaxien. Diese normale Materie wird im Cluster durch die Schwerkraft einer noch größeren Masse dunkler Materie gebunden. Ohne dunkle Materie, die unsichtbar ist und nur durch ihre Schwerkraft erkannt werden kann, würden die sich schnell bewegenden Galaxien und das heiße Gas schnell auseinander fliegen.
Dem Team wurden mehr als 100 Stunden mit dem Chandra-Teleskop gewährt, um den Galaxienhaufen 1E0657-56 zu beobachten. Der Cluster wird auch als Kugelcluster bezeichnet, da er eine spektakuläre kugelförmige Wolke aus hundert Millionen Grad Gas enthält. Das Röntgenbild zeigt, dass die Kugelform auf einen Wind zurückzuführen ist, der durch die Hochgeschwindigkeitskollision eines kleineren Clusters mit einem größeren erzeugt wird.
Zusätzlich zur Chandra-Beobachtung wurden das Hubble-Weltraumteleskop, das Very Large Telescope des European Southern Observatory und die optischen Magellan-Teleskope verwendet, um den Ort der Masse in den Clustern zu bestimmen. Dies wurde durch Messung des Effekts der Gravitationslinse erreicht, bei der die Schwerkraft der Cluster das Licht von Hintergrundgalaxien verzerrt, wie dies durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wurde.
Das heiße Gas bei dieser Kollision wurde durch eine Widerstandskraft verlangsamt, ähnlich dem Luftwiderstand. Im Gegensatz dazu wurde die dunkle Materie durch den Aufprall nicht verlangsamt, da sie nur durch die Schwerkraft direkt mit sich selbst oder dem Gas in Wechselwirkung tritt. Dies führte zur Trennung der dunklen und normalen Materie in den Daten. Wenn heißes Gas die massereichste Komponente in den Clustern wäre, wie dies durch alternative Gravitationstheorien vorgeschlagen wurde, wäre eine solche Trennung nicht zu sehen gewesen. Stattdessen ist dunkle Materie erforderlich.
"Dies ist die Art von Ergebnis, die zukünftige Theorien berücksichtigen müssen", sagte Sean Carroll, ein Kosmologe an der Universität von Chicago, der nicht an der Studie beteiligt war. "Wenn wir vorwärts gehen, um die wahre Natur der Dunklen Materie zu verstehen, wird dieses neue Ergebnis unmöglich zu ignorieren sein."
Dieses Ergebnis gibt Wissenschaftlern auch mehr Vertrauen, dass die auf der Erde und im Sonnensystem bekannte Newtonsche Schwerkraft auch auf den riesigen Skalen von Galaxienhaufen funktioniert.
"Wir haben diese Lücke in Bezug auf die Schwerkraft geschlossen und sind dieser unsichtbaren Materie näher als je zuvor gekommen", sagte Clowe.
Diese Ergebnisse werden in einer kommenden Ausgabe der Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, verwaltet das Chandra-Programm für das Science Mission Directorate der Agentur. Das Smithsonian Astrophysical Observatory kontrolliert Wissenschaft und Flugbetrieb vom Chandra X-ray Centre, Cambridge, Mass.
Originalquelle: Chandra-Pressemitteilung
