ALMA enthüllt den feinen Fingerabdruck der Dunklen Materie

Bahnbrechende Beobachtungen offenbaren Fluktuationen der Dunklen Materie unterhalb der Skala von Galaxien, bestätigen Theorien über kalte Dunkle Materie und liefern neue Einblicke in die Zusammensetzung des Universums.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Kaiki Taro Inoue von der Kindai-Universität (Osaka, Japan) hat mit dem weltweit leistungsstärksten Radiointerferometer, dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, Fluktuationen in der Verteilung der Dunklen Materie im Universum auf Skalen kleiner als massereiche Galaxien entdeckt (ALMA), mit Sitz in der Republik Chile.

Dies ist das erste Mal, dass die räumlichen Fluktuationen der Dunklen Materie im fernen Universum auf einer Skala von 30.000 Lichtjahren nachgewiesen wurden. Dieses Ergebnis zeigt, dass kalte dunkle Materie^[1] wird sogar auf Skalen kleiner als bei massereichen Galaxien bevorzugt und ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis der wahren Natur der Dunklen Materie. Der Artikel wird veröffentlicht in Der Astrophysikalisches Journal.

Abbildung 1. Erkannte Fluktuationen der Dunklen Materie. Die hellere orange Farbe weist auf Regionen mit hoher Dichte dunkler Materie hin und die dunklere orange Farbe weist auf Regionen mit geringer Dichte dunkler Materie hin. Die weißen und blauen Farben stellen von ALMA beobachtete Objekte mit Gravitationslinsen dar. Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), KT Inoue et al.

Wichtige Punkte

• Beobachtung durch eines der weltweit größten Radiowelleninterferometer ALMA, ein internationales Projekt.
• Die erste Entdeckung von Fluktuationen der Dunklen Materie im Universum auf Skalen von weniger als 30.000 Lichtjahren.
• Ein wichtiger Schritt zur Aufklärung der wahren Natur der Dunklen Materie.

ALMA erkennt kleinräumige Schwankungen in der Verteilung der Dunklen Materie

Dunkle Materie, das unsichtbare Material, das einen großen Teil der Masse des Universums ausmacht, soll eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Strukturen wie Sternen und Galaxien gespielt haben.^[2] Da dunkle Materie im Weltraum nicht gleichmäßig, sondern in Klumpen verteilt ist, kann ihre Schwerkraft den Weg des Lichts (einschließlich Radiowellen) von entfernten Lichtquellen leicht verändern. Beobachtungen dieses Effekts (Gravitationslinseneffekt) haben gezeigt, dass dunkle Materie mit relativ massereichen Galaxien und Galaxienhaufen verbunden ist, aber wie sie auf kleineren Skalen verteilt ist, ist nicht bekannt.

Das Forschungsteam beschloss, mit ALMA ein Objekt in einer Entfernung von 11 Milliarden Lichtjahren von der Erde zu beobachten. Das Objekt ist ein Linsenquasar,^[3] MG J0414+0534^[4] (im Folgenden als „dieser Quasar“ bezeichnet).

Dieser Quasar scheint aufgrund des Gravitationslinseneffekts der Vordergrundgalaxie ein vierfaches Bild zu haben. Die Positionen und Formen dieser scheinbaren Bilder weichen jedoch von denen ab, die ausschließlich aus dem Gravitationslinseneffekt der Vordergrundgalaxie berechnet wurden, was darauf hindeutet, dass der Gravitationslinseneffekt der Verteilung dunkler Materie auf Skalen kleiner als bei massereichen Galaxien am Werk ist.

Abbildung 2: Ein konzeptionelles Diagramm des Gravitationslinsensystems MG J0414+0534. Das Objekt in der Bildmitte weist auf die Linsengalaxie hin. Die orange Farbe zeigt dunkle Materie im intergalaktischen Raum an und die blassgelbe Farbe weist auf dunkle Materie in der Linsengalaxie hin. Bildnachweis: NAOJ, KT Inoue

Es wurde festgestellt, dass es räumliche Schwankungen in der Dichte der Dunklen Materie selbst auf der Skala von etwa 30.000 Lichtjahren gibt, was weit unter der kosmologischen Skala (mehrere zehn Milliarden Lichtjahre) liegt. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der theoretischen Vorhersage der kalten dunklen Materie, die vorhersagt, dass sich Klumpen dunkler Materie nicht nur innerhalb von Galaxien (blassgelbe Farbe in Abbildung 2), sondern auch im intergalaktischen Raum (orange in Abbildung 2) befinden.

Die Gravitationslinseneffekte aufgrund der in dieser Studie gefundenen Klumpen dunkler Materie sind so gering, dass es äußerst schwierig ist, sie allein nachzuweisen. Dank des Gravitationslinseneffekts, der durch die Vordergrundgalaxie verursacht wird, und der hohen Auflösung von ALMA konnten wir die Effekte jedoch erstmals erkennen. Daher ist diese Forschung ein wichtiger Schritt, um die Theorie der Dunklen Materie zu überprüfen und ihre wahre Natur aufzuklären.

Diese Forschung wurde in einem Artikel „ALMA Measurement of 10 kpc-scale Lensing Power Spectra around the Lensed Quasar MG J0414+0534“ von KT Inoue et al. vorgestellt. im Astrophysikalisches Journal.

Anmerkungen

1. Kalte dunkle Materie
   Wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt die Dichte der Materie ab, und daher werden Teilchen der Dunklen Materie (Materie, die für Licht unsichtbar ist) nicht mehr auf andere Teilchen treffen und eine unabhängige Bewegung ausführen, die sich von der Bewegung gewöhnlicher Materie unterscheidet. In diesem Fall werden Teilchen der Dunklen Materie, die sich im Vergleich zur gewöhnlichen Materie mit einer Geschwindigkeit bewegen, die weit unter der Lichtgeschwindigkeit liegt, als kalte Dunkle Materie bezeichnet. Aufgrund der geringen Geschwindigkeit ist es nicht in der Lage, die großräumigen Strukturen im Universum zu löschen.
2. Die Strukturbildung im Universum
   Es wird angenommen, dass Sterne und Galaxien im frühen Universum durch das gravitative Wachstum von Dichteschwankungen dunkler Materie und die Aggregation von Wasserstoff und Helium entstanden sind, die zu Klumpen dunkler Materie angezogen wurden. Die Verteilung der Dunklen Materie auf Skalen, die kleiner sind als die massereicher Galaxien, ist noch unbekannt.
3. Quasar
   Ein Quasar ist die zentrale kompakte Region einer Galaxie, die extrem helles Licht aussendet. Die kompakte Region und die Umgebung weisen eine große Menge Staub auf, der Radiowellen aussendet.
4. MG J0414+0534
   MG J0414+0534 befindet sich von der Erde aus gesehen in Richtung des Sternbildes Stier. Die Rotverschiebung (die Zunahme der Lichtwellenlänge dividiert durch die ursprüngliche Wellenlänge) dieses Objekts beträgt z=2,639. Die entsprechende Entfernung wird unter Berücksichtigung der Unsicherheit der kosmologischen Parameter mit 11 Milliarden Lichtjahren angenommen.

Referenz: „ALMA Measurement of 10 kpc Scale Lensing-power Spectra into the Lensed Quasar MG J0414+0534“ von Kaiki Taro Inoue, Takeo Minezaki, Satoki Matsushita und Kouichiro Nakanishi, 7. September 2023, Das Astrophysikalische Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/aceb5f

Diese Arbeit wurde durch Grant-in-Aids for Scientific Research der Japan Society for the Promotion of Science (Nr. 17H02868, 19K03937), dem National Astronomical Observatory of Japan ALMA Joint Scientific Research Project 2018-07A und ALMA JAPAN Research unterstützt Fonds NAOJ-ALMA-256 und Taiwan MoST 103-2112-M-001-032-MY3, 106-2112-M-001-011, 107-2119-M-001-020, 107-2119-M-001- 020.