Mittwoch, 19. Oktober 2011

Dunkle Materie: Weitere Messungen widersprechen kosmologischem Standardmodell

Die Sculptor-Zwerggalaxie | Copyright: ESO/Digitized Sky Survey 2

Cambridge/ USA - Wie alle Galaxien, so besteht auch unsere Milchstraße größtenteils aus einer mysteriösen Substanz, der sogenannten Dunklen Materie, die unsichtbar ist und nur durch ihre Schwerkraftwechselwirkung mit gewöhnlicher Materie ihre Existenz und Anwesenheit verrät. Ohne kalte (also sich langsam bewegende, energieschwache), Dunkle Materie, so beschreibt es zumindest das wissenschaftliche kosmologische Standartmodell, würden die Sterne unserer Milchstraße in alle Richtungen davonstreben. Eine neue Studie, die eigentlich die Natur der Dunklen Materie untersuchen wollte, hat nun deren Mysterium zusehends vertieft und stellt die Gültigkeit des kosmologischen Standardmodells in Frage.

Nach dem bisherigen kosmologischen Standardmodell, besteht die kalte, Dunkle Materie (Cold Dark Matter, CDM) aus "exotischen Partikeln, die sich aufgrund ihrer eigenen Schwerkraft zusammenklumpen, nach und nach anwachsen, dann auch gewöhnliche Materie anziehen und so dann auch die Galaxien formen, wie wir sie heute kennen", erläutert die Pressemitteilung des "Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics" (CfA, cfa.harvard.edu).

Wissenschaftler um Matt Walker vom CfA haben nun die Verteilung von CDM in Galaxien nach dem kosmologischen Standardmodell simuliert, wonach die sich kalte Dunkle Materie im Zentrum der Galaxien konzentrieren müsste. Neue Messungen der beiden Zwerggalaxien Fornax und Sculptor (s. Abb.) zeigen nun jedoch, dass dies nicht der Fall ist und die CDM stattdessen gleichmäßig in den Zwerggalaxien verteilt ist. "Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Standardmodell falsch sein könnte", so Walker. "Unsere Messungen widersprechen der grundlegenden Vorhersage über die Struktur von kalter, Dunkler Materie in Zwerggalaxien. Solange niemand die Vorhersagen anpassen und modifizieren kann, widerspricht die Theorie den tatsächlichen Beobachtungsdaten."

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Zwerggalaxien bestehen zu rund 99 Prozent aus Dunkler Materie und nur zu einem Prozent aus gewöhnlicher Materie, unter anderem aus Sternen. Dieses starke Missverhältnis macht sie zu idealen Zielen für astronomische Beobachtungen auf der Suche nach einem Verständnis Dunkler Materie.

Gemeinsam mit Jorge Peñarrubia von der britischen "University of Cambridge" untersuchte Walker die Verteilung der kalten Dunklen Materie in den Zwerggalaxien, die beide rund 10 Millionen Sterne beinhalten. (Zum Vergleich: Unsere Galaxie, die Milchstraße, ist Heimat von schätzungsweise 400 Milliarden Sternen.) Hierzu vermaßen die Astronomen die Positionen, Bewegungsgeschwindigkeiten und die grundlegende chemische Zusammensetzung von 1.500 bis 2.000 Sternen.

"In Zwerggalaxien bewegen sich die Sterne wie Bienen in einem Bienenstock, statt sich - wie in Spiralgalaxien wie der Milchstraße auf geordneten Kreisbahnen zu bewegen", erläutert Peñarrubia. "Das ist es, was die Messung der Verteilung der Dunklen Materie dort sehr viel schwieriger macht."

Die hierbei gewonnenen Daten zeigen in beiden Fällen, dass die kalte, Dunkle Materie in den Zwerggalaxien nahezu gleichmäßig über einen Raum von mehreren hundert Lichtjahren verteilt ist. Diese Entdeckung widerspricht den Vorhersagen nach der die CDM-Dichte in Richtung des Zentrums der Galaxien deutlich zunehmen sollte.

"Wäre eine Zwerggalaxie ein Pfirsich, so würde das Standardmodell der Kosmologie vorhersagen, dass wir in ihrem Zentrum einen Kern (aus Dunkler Materie) finden müssten", so Peñarrubia. "Stattdessen zeichnen die ersten beiden unsere Vermessungen, dass es sich in Wirklichkeit um eine gänzlich kernlose Frucht handelt."

Einige Forscher haben bereits Wechselwirkungen zwischen normaler und Dunkler Materie für die Ausbreitung der Dunklen Materie verantwortlich gemacht. Die aktuellen Simulationen weisen jedoch nicht daraufhin, dass dies in Zwerggalaxien geschieht. Die neuen Messungen legen nun nahe, dass entweder normale Materie die Dunkle Materie stärker beeinflusst oder, dass Dunkle Materie nicht "kalt" ist. Das Team um Walker und Peñarrubia hofft nun auf weitere Erkenntnisse durch das Studium weiterer Zwerggalaxien. Ihre bisherigen Ergebnisse haben sie aktuell im Fachmagazin "The Astrophysical Journal".

Mit ihrer Entdeckung bestätigt die Studie von Walker und Peñarrubia eine erst kürzlich veröffentlichte Untersuchung und Simulationen von Forschern um Professor Carlos S. Frenk von der "Durham University". Auch Sie hatten anhand von Simulationen der Entstehung der Zwerggalaxien der sogenannten Lokalen Gruppe auf der Grundlage des kosmologischen Standardmodells festgestellt, dass die Vorhersage von der tatsächlichen Struktur dieser Galaxien abweicht. Auch Frenk vermutet nun, dass Dunkle Materie nicht "kalt" sondern "warm" also leichter und energiereicher ist (...wir berichteten, s. Links).

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