Die langsameren äußeren Sterne der Milchstraße deuten auf eine überschätzte Dunkle Materie hin

MITDie Studie zeigt äußere Milchstraße Sterne rotieren langsamer, was auf einen helleren Kern mit weniger dunkler Materie hindeutet, was früheren Annahmen widerspricht.

Durch die Messung der Geschwindigkeit von Sternen in der gesamten Milchstraße haben MIT-Physiker herausgefunden, dass sich Sterne weiter draußen in der galaktischen Scheibe langsamer bewegen als erwartet im Vergleich zu Sternen, die näher am Zentrum der Galaxie liegen. Die Ergebnisse lassen eine überraschende Möglichkeit aufkommen: Der Gravitationskern der Milchstraße könnte eine leichtere Masse haben und weniger Dunkle Materie enthalten als bisher angenommen.

Die neuen Ergebnisse basieren auf der Analyse der Daten der Instrumente Gaia und APOGEE durch das Team. Gaia ist ein umlaufendes Weltraumteleskop, das die genaue Position, Entfernung und Bewegung von mehr als einer Milliarde Sternen in der gesamten Milchstraße verfolgt, während APOGEE eine bodengestützte Durchmusterung ist. Die Physiker analysierten Gaias Messungen von mehr als 33.000 Sternen, darunter einige der am weitesten entfernten Sterne der Galaxie, und bestimmten die „Kreisgeschwindigkeit“ jedes Sterns, also die Geschwindigkeit, mit der ein Stern in der galaktischen Scheibe kreist, angesichts der Entfernung des Sterns vom Zentrum der Galaxie .

Galaktische Rotation verstehen

Die Wissenschaftler zeichneten die Geschwindigkeit jedes Sterns gegen seine Entfernung auf, um eine Rotationskurve zu erstellen – ein Standarddiagramm in der Astronomie, das darstellt, wie schnell sich Materie in einem bestimmten Abstand vom Zentrum einer Galaxie dreht. Die Form dieser Kurve kann Wissenschaftlern eine Vorstellung davon geben, wie viel sichtbare und dunkle Materie in einer Galaxie verteilt ist.

„Was uns wirklich überraschte, war, dass diese Kurve bis zu einer gewissen Entfernung flach, flach, flach blieb und dann zu sinken begann“, sagt Lina Necib, Assistenzprofessorin für Physik am MIT. „Das bedeutet, dass die äußeren Sterne etwas langsamer rotieren als erwartet, was ein sehr überraschendes Ergebnis ist.“

Eine Studie von MIT-Physikern legt nahe, dass der Gravitationskern der Milchstraße möglicherweise eine leichtere Masse hat und weniger Dunkle Materie enthält als bisher angenommen. Bildnachweis: ESA/Gaia/DPAC, herausgegeben von MIT News

Herausfordernde Theorien zur Dunklen Materie

Das Team übersetzte die neue Rotationskurve in eine Verteilung der Dunklen Materie, die die Verlangsamung der äußeren Sterne erklären könnte, und stellte fest, dass die resultierende Karte einen helleren galaktischen Kern als erwartet ergab. Das heißt, das Zentrum der Milchstraße könnte weniger dicht sein und weniger dunkle Materie enthalten, als Wissenschaftler angenommen haben.

„Dadurch steht dieses Ergebnis im Widerspruch zu anderen Messungen“, sagt Necib. „Irgendwo geht etwas Verdächtiges vor sich, und es ist wirklich spannend herauszufinden, wo das ist, um wirklich ein zusammenhängendes Bild der Milchstraße zu erhalten.“

Das Team berichtet diesen Monat über seine Ergebnisse im Monatliche Mitteilungen des Royal Society Journal. Die MIT-Co-Autoren der Studie, darunter Necib, sind die Erstautorin Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers und Anna Frebel.

„Im Nichts“

Wie die meisten Galaxien im Universum dreht sich die Milchstraße wie Wasser in einem Strudel, und ihre Rotation wird teilweise durch die gesamte Materie angetrieben, die in ihrer Scheibe wirbelt. In den 1970er Jahren beobachtete die Astronomin Vera Rubin als erste, dass Galaxien auf eine Weise rotieren, die nicht allein durch sichtbare Materie angetrieben werden kann. Sie und ihre Kollegen haben die Kreisgeschwindigkeit von Sternen gemessen und festgestellt, dass die resultierenden Rotationskurven überraschend flach waren. Das heißt, die Geschwindigkeit der Sterne blieb in einer Galaxie gleich und nahm mit der Entfernung nicht ab. Sie kamen zu dem Schluss, dass eine andere Art unsichtbarer Materie auf entfernte Sterne einwirken muss, um ihnen einen zusätzlichen Schub zu geben.

Rubins Arbeit zu Rotationskurven war einer der ersten starken Beweise für die Existenz dunkler Materie – einer unsichtbaren, unbekannten Einheit, die schätzungsweise alle Sterne und andere sichtbare Materie im Universum übertrifft.

Seitdem haben Astronomen ähnliche flache Kurven in weit entfernten Galaxien beobachtet, was die Existenz dunkler Materie weiter untermauert. Erst kürzlich haben Astronomen versucht, die Rotationskurve unserer eigenen Galaxie anhand von Sternen zu kartieren.

„Es stellt sich heraus, dass es schwieriger ist, eine Rotationskurve zu messen, wenn man in einer Galaxie sitzt“, bemerkt Ou.

Neue Erkenntnisse aus Gaia-Daten

Im Jahr 2019 arbeitete Anna-Christina Eilers, Assistenzprofessorin für Physik am MIT, daran, die Rotationskurve der Milchstraße anhand einer früheren Datenreihe des Gaia-Satelliten zu kartieren. Diese Datenveröffentlichung umfasste Sterne, die bis zu 25 Kiloparsec oder etwa 81.000 Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt waren.

Basierend auf diesen Daten beobachtete Eilers, dass die Rotationskurve der Milchstraße flach zu sein schien, wenn auch mit leichtem Rückgang, ähnlich wie bei anderen weit entfernten Galaxien, und daraus folgerte, dass die Galaxie in ihrem Kern wahrscheinlich eine hohe Dichte dunkler Materie trug. Doch diese Ansicht änderte sich nun, als das Teleskop einen neuen Datenstapel veröffentlichte, der dieses Mal Sterne mit einer Entfernung von bis zu 30 Kiloparsec umfasste – fast 100.000 Lichtjahre vom Kern der Galaxie entfernt.

„Bei diesen Entfernungen befinden wir uns direkt am Rand der Galaxie, wo die Sterne zu verschwinden beginnen“, sagt Frebel. „Niemand hatte erforscht, wie sich Materie in dieser äußeren Galaxie bewegt, wo wir uns eigentlich im Nichts befinden.“

Seltsame Spannung

Frebel, Necib, Ou und Eilers nutzten Gaias neue Daten und versuchten, die anfängliche Rotationskurve von Eilers zu erweitern. Um ihre Analyse zu verfeinern, ergänzte das Team die Daten von Gaia durch Messungen von APOGEE – dem Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment, das äußerst detaillierte Eigenschaften von mehr als 700.000 Sternen in der Milchstraße misst, wie etwa ihre Helligkeit, Temperatur und Elementzusammensetzung.

„Wir speisen all diese Informationen in einen Algorithmus ein, um Zusammenhänge zu erlernen, die uns dann bessere Schätzungen der Entfernung eines Sterns ermöglichen können“, erklärt Ou. „So können wir auf größere Entfernungen vordringen.“

Das Team ermittelte die genauen Entfernungen für mehr als 33.000 Sterne und erstellte anhand dieser Messungen eine dreidimensionale Karte der Sterne, die über die Milchstraße bis zu einer Größe von etwa 30 Kiloparsec verstreut sind. Anschließend fügten sie diese Karte in ein Modell der Kreisgeschwindigkeit ein, um zu simulieren, wie schnell sich ein einzelner Stern angesichts der Verteilung aller anderen Sterne in der Galaxie bewegen muss. Anschließend zeichneten sie die Geschwindigkeit und Entfernung jedes Sterns auf einer Karte auf, um eine aktualisierte Rotationskurve der Milchstraße zu erstellen.

„Da kam die Verrücktheit ins Spiel“, sagt Necib.

Anstatt einen leichten Rückgang wie bei früheren Rotationskurven zu beobachten, stellte das Team fest, dass die neue Kurve am äußeren Ende stärker abfiel als erwartet. Dieser unerwartete Rückgang deutet darauf hin, dass sich Sterne zwar bis zu einer bestimmten Entfernung genauso schnell fortbewegen, bei größeren Entfernungen jedoch plötzlich langsamer werden. Sterne am Rande scheinen sich langsamer zu bewegen als erwartet.

Galaktische Geheimnisse erforschen

Als das Team diese Rotationskurve auf die Menge an dunkler Materie übertrug, die in der gesamten Galaxie vorhanden sein muss, stellten sie fest, dass der Kern der Milchstraße möglicherweise weniger dunkle Materie enthält als zuvor angenommen.

„Dieses Ergebnis steht im Widerspruch zu anderen Messungen“, sagt Necib. „Dieses Ergebnis wirklich zu verstehen, wird tiefgreifende Auswirkungen haben. Dies könnte zu mehr verborgenen Massen direkt hinter dem Rand der galaktischen Scheibe oder zu einer Neubewertung des Gleichgewichtszustands unserer Galaxie führen. Wir versuchen, diese Antworten in kommenden Arbeiten zu finden, indem wir hochauflösende Simulationen milchstraßenähnlicher Galaxien verwenden.“

Referenz: „Das aus ihrer kreisförmigen Geschwindigkeitskurve abgeleitete Profil der dunklen Materie der Milchstraße“ von Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers, Lina Necib und Anna Frebel, 08. Januar 2024, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stae034

Diese Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation finanziert.