Dunkle Materie bleibt mysteriös und … nun ja … dunkel. Obwohl wir noch keine genaue Vorstellung davon haben, woraus dieser kosmische „Stoff“ besteht, erfahren Astronomen mehr über seine Verteilung im Universum. Da wir es nicht direkt sehen können, müssen Beobachter indirekte Methoden verwenden, um es zu erkennen. Eine Möglichkeit ist der Gravitationslinseneffekt. Eine andere besteht darin, nach Emissionen von Wasserstoffgas zu suchen, die mit kleinräumigen Strukturen dunkler Materie im Universum verbunden sind.
Eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Kaiki Taro Inoue von der Kindai-Universität in Japan nutzte das Atacama Large Millimeter Array in Chile, um ein entferntes Gravitationslinsensystem namens MG J0414+534 zu untersuchen. Eine riesige Vordergrundgalaxie beugt und verzerrt das Licht eines entfernten Quasars, der etwa 11 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt. Das Ergebnis sind vier Bilder des Quasars. Als sie sich die Daten ansahen, stellte das Team einige seltsame Anomalien in den Bildern fest. Tatsächlich handelt es sich dabei um Variationen in der Verteilung der Dunklen Materie entlang der Sichtlinie zwischen uns und dem Quasar. Die Gravitationslinse vergrößerte die Schwankungen und die Analyse der Daten ermöglichte es ihnen, die Schwankungen auf eine Skala von 30.000 Lichtjahren abzubilden.
Was die Kleckse der Dunklen Materie bedeuten
Im gesamten Universum wird Dunkle Materie mit massereichen Galaxien und Galaxienhaufen in Verbindung gebracht. Allerdings sind Klumpen und Verteilungen im kleinen Maßstab nicht so gut verstanden. Deshalb wollen Astronomen Wege finden, die kleineren Konzentrationen davon zu kartieren. Der Gravitationslinseneffekt bietet eine Möglichkeit, dies zu erreichen. Im Fall von MG J0414+0534 sehen die Positionen und Formen der Linsenbilder des Quasars etwas seltsam aus. Sie passen nicht zu dem Modell der Gravitationslinse, das vorhergesagt wurde, wenn man die Zahlen für die Galaxie und die damit verbundene Komponente der Dunklen Materie einrechnet.
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Die Schwankungen deuten darauf hin, dass die kleineren Konzentrationen zusätzlich zu dem der Galaxie und ihrer Hülle aus dunkler Materie einen Gravitationslinseneffekt auslösen. Dabei kommt es zu räumlichen Schwankungen der Dichte der Dunklen Materie bis zu einer Größe von etwa 30.000 Lichtjahren. Das ist viel kleiner als das, was die Wissenschaftler für größere Konzentrationen (mehrere zehn Milliarden Lichtjahre) als „kosmologische Skala“ bezeichnen.
Interessanterweise zeigt die Arbeit des Teams, dass solche kleineren Konzentrationen mit Vorhersagen über kalte dunkle Materie (CDM) vereinbar sind. Im Wesentlichen heißt es, dass Klumpen dunkler Materie innerhalb von Galaxien existieren, aber auch den intergalaktischen Raum bevölkern können. Die Gravitationslinseneffekte aufgrund der in dieser Studie gefundenen Klumpen dunkler Materie sind so gering, dass es äußerst schwierig ist, sie allein nachzuweisen. Deshalb nutzte das Team ALMA, um die Schwankungen zu erkennen. Es kann sehr hochauflösende Radiobeobachtungen von Fluktuationen liefern, die durch geringere Konzentrationen dunkler Materie verursacht werden.
Ein sternenloser Halo aus dunkler Materie im lokalen Universum?
Astronomen nutzten ein riesiges Radioteleskop, das Five-Hundred-Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) in China, um ein weiteres interessantes Objekt im Zusammenhang mit Dunkler Materie zu untersuchen, das in der Nähe der Galaxie M94 liegt. Das System, das sie „Cloud-9“ nennen, ist eine Quelle von 21-Zentimeter-Radioemissionen aus kaltem, neutralem interstellarem Wasserstoff. Interessanterweise scheint Cloud-9 relativ sternenlos zu sein. Daher fragten sich Astronomen, die FAST nutzten, ob diese 21 cm große Emission aus der Wolke als Indikator für Dunkle Materie fungieren könnte. In einem Preprint-Artikel beschreiben sie Cloud-9 als einer sogenannten REionization-limited HI Cloud (RELHIC) sehr ähnlich. Im Wesentlichen ist ein RELHIC ein sternenloser Halo aus dunkler Materie. Es ist mit Gas gefüllt, das im Gleichgewicht mit dem kosmischen ultravioletten Hintergrund steht. (Das ist die „Wäsche“ der UV-Strahlung, die von Sternen und Galaxien erzeugt wird.)
Es stellt sich heraus, dass sich im beliebtesten Modell der kalten dunklen Materie Galaxien in den Zentren von Halos einer bestimmten Größe bilden. Die Modelle zeigen auch, dass es eine Reihe kollabierter Halos aus dunkler Materie geben sollte. Interessanterweise bleiben viele massearme Versionen auch nach Milliarden von Jahren kosmischer Entwicklung dunkel oder sternlos. Im Wesentlichen enthält also nicht jeder dieser Halos eine Galaxie. Die RELHICs sind Halos, die keine Sterne haben (oder zumindest keine, die bisher entdeckt wurden).
Beobachtung von Cloud-9
Ein Team unter der Leitung des Astronomen Alejandro Benitez-Llambray von der Universita degli Studi di Milano Bococca in Italien berichtet, dass Wolke-9 eine ausgedehnte HI-Wolke ist. Sie haben dort die Säulendichten des Gases gemessen. Seine Eigenschaften deuten darauf hin, dass es mit einem Halo aus dunkler Materie in Verbindung steht. Wenn es sich um ein RELHIC aus kalter Dunkler Materie handelt und es in (oder nahe) der Entfernung von M94 (etwa 18 Millionen Lichtjahre) liegt, ist es eines der nächstgelegenen bekannten RELHICs.
Cloud-9 wird noch viel mehr Forschung erfordern, und die Autoren der aktuellen Arbeit schlagen vor, dass Beobachtungen mit höherer Auflösung erforderlich sind. Zum einen muss der Abstand unbedingt festgelegt werden. So könnten zukünftige Beobachtungen mit dem MeerKAT-Teleskop, dem Very Large Array oder sogar dem FAST in China durchgeführt werden. Folgebeobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop könnten Astronomen dabei helfen herauszufinden, ob Cloud-9 definitiv Sternkomponenten enthält oder nicht.
Die Autoren vermuten zwar, dass diese mysteriöse Wolke in ihrem Herzen eine Galaxie haben könnte, diese ist jedoch zu schwach, um entdeckt zu werden. Sicherlich entstanden im frühen Universum Galaxien und Sterne als Folge des gravitativen Wachstums von Dichteschwankungen in der Dunklen Materie. Wasserstoff und Helium (die Bausteine der Sterne) wurden von den Klumpen dunkler Materie angezogen und begannen, Sterne zu bilden. Dies gilt jedoch für die Verteilung der Dunklen Materie in der Galaxie und auf größeren Skalen. Ansammlungen dunkler Materie in kleineren Maßstäben, wie etwa bei Cloud-9, sind wirklich nicht gut verstanden. Deshalb werden weitere Beobachtungen von Cloud-9 sicherlich dazu beitragen, das volle Ausmaß seines Gehalts an dunkler Materie zu bestimmen. Sie könnten auch Aufschluss darüber geben, wie Galaxien im kleinen Maßstab kleinerer Ansammlungen dunkler Materie entstehen.
Für mehr Informationen
Neue kosmologische Einschränkungen für die Natur der Dunklen Materie
ALMA-Messung von Linsenstärkespektren im 10-kpc-Maßstab in Richtung des Linsenquasars MG J0414+0534
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