(NASA, ESA, A. Nierenberg/JPL und T. Treu/UCLA) Eine neue Technik mit dem Hubble-Weltraumteleskop und einer Funktion von generelle Relativität hat die kleinsten Klumpen offenbart Dunkle Materie jemals identifiziert - bis zu 100.000 Mal weniger massiv als der Halo aus dunkler Materie in der Milchstraße.
Und diese (relativ) winzigen Klumpen dunkler Materie stimmen gut mit einer der führenden Theorien über dunkle Materie überein – dem, was Astronomen nennen kalte dunkle Materie .
„Wir haben einen sehr überzeugenden Beobachtungstest für das Modell der kalten Dunklen Materie durchgeführt und er besteht mit Bravour“, sagte der Astrophysiker Tommaso Treu der University of California, Los Angeles.
Wir wissen eigentlich nicht, was dunkle Materie ist. Wir können es nicht direkt erkennen. Was wir wissen ist, dass sich das Universum nicht ganz so verhält, wie es sollte, wenn wir unsere aktuelle Physik auf das anwenden, was wir direkt beobachten können. Sterne am äußeren Rand von Galaxien bewegen sich beispielsweise schneller als sie sollten, als stünden sie unter dem Einfluss einer unsichtbaren Masse.
Wir nennen diese Masse „Dunkle Materie“, und es gibt mehrere Hypothesen darüber, wie sie funktioniert. Darunter ist heiße dunkle Materie – wobei „heiß“ „Teilchen bedeutet, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen“; und kalte dunkle Materie, wobei „kalt“ „Teilchen bedeutet, die sich mit langsameren als relativistischen Geschwindigkeiten bewegen“.
Die meisten Beobachtungsergebnisse und aktuellen Modelle sprechen für kalte dunkle Materie, aber der Fall ist noch lange nicht geklärt. Ein Test, der Hinweise geben kann, ist, ob kleine Klumpen dunkler Materie gefunden werden können.
Sie sehen, heiße dunkle Materie würde sich zu schnell bewegen, um kleinere Brocken zu ermöglichen. Wenn sich die Dunkle Materie langsamer bewegt – wie in der Theorie der kalten Dunklen Materie –, sollten diese kleinen Brocken da draußen sein.
Allerdings ist es nicht so einfach, sie zu finden. Erinnern Sie sich an den Teil darüber, dass wir es nicht direkt beobachten können? Stattdessen schließen Astronomen auf seine Anwesenheit aufgrund des gravitativen Einflusses, den es auf die beobachtbare Materie um ihn herum ausübt – beispielsweise Sterne, die sich zu schnell an den Außenrändern von Galaxien bewegen.
Eine andere Sache, die die Schwerkraft beeinflusst, ist das Licht. Wenn sich zwischen uns und einer Lichtquelle etwas wirklich Massives befindet, beispielsweise ein Galaxienhaufen, krümmt der Gravitationseinfluss dieses Haufens die Raumzeit, krümmt den Weg des Lichts und erzeugt mehrere Bilder der Lichtquelle.
(NASA, ESA und D. Player/STScI)
Das nennt man Gravitationslinseneffekt , ein von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagter Effekt. In seltenen Fällen sind die beteiligten Objekte so angeordnet, dass vier verzerrte Bilder um das Linsenobjekt herum entstehen. Dies nennt man ein Einsteinkreuz .
Sie fragen sich, was das mit kalter dunkler Materie zu tun hat? Nun, hier ist der wirklich coole Teil. Der Gravitationseinfluss kleiner Klumpen dunkler Materie sollte theoretisch in den Unterschieden in den einzelnen Bildern der Hintergrundlichtquelle, die um die Linse gebogen werden, beobachtbar sein.
Daher nutzte das Team das Hubble-Weltraumteleskop, um acht Einstein-Kreuzquasare zu untersuchen, extrem helle Galaxien, die von supermassereichen Galaxien angetrieben werden Schwarze Löcher , gravitativ durch massereiche Vordergrundgalaxien verzerrt.
„Stellen Sie sich vor, dass jede dieser acht Galaxien eine riesige Lupe ist.“ sagte der UCLA-Astrophysiker Daniel Gilman .
„Kleine Klumpen dunkler Materie wirken wie kleine Risse auf dem Vergrößerungsglas und verändern die Helligkeit und Position der vier Quasarbilder im Vergleich zu dem, was man erwarten würde, wenn das Glas glatt wäre.“
Sie haben gemessen, wie das Licht der Quasare durch die Linse verzerrt wird. Sie betrachteten die scheinbare Helligkeit und Position jedes der vier Bilder. Und sie verglichen diese mit Vorhersagen, wie die Einstein-Kreuze ohne dunkle Materie aussehen würden.
Diese Vergleiche ermöglichten es dem Team, die Masse der Klumpen dunkler Materie zu berechnen, die die Bilder veränderten. Diese Klumpen scheinen zwischen 10.000 und 100.000 Mal kleiner zu sein als die Masse der Dunklen Materie in und um die Milchstraße.
Die Ergebnisse schließen natürlich die Existenz heißer dunkler Materie nicht aus. (Ganz zu schweigen von der zusätzlichen Komplikation gemischte dunkle Materie , ein Modell, das beide Arten umfasst.) Aber diese Ergebnisse liefern einen soliden Beweis für die bestehende Arbeit, die die Existenz kalter dunkler Materie unterstützt.
„Astronomen haben bereits andere Beobachtungstests zu Theorien über dunkle Materie durchgeführt, aber unserer liefert den bislang stärksten Beweis für das Vorhandensein kleiner Klumpen kalter dunkler Materie.“ sagte die Astronomin und Physikerin Anna Nierenberg des Jet Propulsion Laboratory der NASA.
„Durch die Kombination der neuesten theoretischen Vorhersagen, statistischen Tools und neuen Hubble-Beobachtungen erhalten wir jetzt ein viel belastbareres Ergebnis, als es bisher möglich war.“
Die Forschungsergebnisse wurden auf der 235. Tagung der American Astronomical Society vorgestellt und im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society .