(ESA/Hubble & NASA) Wenn wir in den intergalaktischen Raum blicken, gibt es Beweise dafür Dunkle Materie ist überall. Es liegt an der Rotation von Galaxien, die nicht allein durch beobachtbare Materie erklärt werden kann. Es liegt an der Art und Weise, wie sich Galaxien zusammenballen, und an dem Weg des Lichts auf seinem Weg durch das Universum. Wir können dunkle Materie nicht direkt sehen, aber die Auswirkungen, die sie auf andere Objekte hat, haben es uns ermöglicht Kartieren Sie es ziemlich umfassend in großen Maßstäben .
Näher an der Heimat jedoch – tatsächlich innerhalb der Milchstraße – und auf subgalaktischen Skalen sind die Auswirkungen der Dunklen Materie viel geringer und daher viel schwieriger zu kartieren. Aber eine neue Technik könnte endlich herausfinden, wo sich die dunkle Materie der Milchstraße versteckt, indem sie nach einer verräterischen Verzerrung im Licht von Sternen sucht, wenn dunkle Materie vor ihnen vorbeizieht.
Dunkle Materie ist eines der verwirrendsten Phänomene im Kosmos. Wir können es nicht direkt nachweisen, also wissen wir nicht, was es ist, aber wir wissen, dass das Ausmaß der Schwerkraft im Universum nicht allein durch die normal beobachtbare Materie – das, was wir baryonische Materie nennen – erklärt werden kann.
In den 1930er Jahren Astronom Das hat Fritz Zwicky herausgefunden Wenn Galaxien im Coma-Haufen allein durch normale Materie zusammengehalten würden, würde ihre Rotationsgeschwindigkeit die Fluchtgeschwindigkeit für Objekte in ihnen übertreffen. Wenn diese Galaxien nur aus baryonischer Materie bestünden, würden sie auseinanderfliegen.
Etwas erzeugte zusätzliche Schwerkraft. Wir wissen nicht, was das ist, also nennen wir es Dunkle Materie. Die Auswirkungen der Dunklen Materie wurden inzwischen auch auf andere Weise beobachtet, und Kosmologen schätzen, dass sie etwa 85 Prozent der Materie im Universum ausmacht.
Einer dieser Effekte ist Gravitationslinseneffekt . Nach der Theorie von generelle Relativität , Masse krümmt die Raumzeit um sie herum. Bei kleineren Objekten ist der beobachtbare Effekt vernachlässigbar, aber bei wirklich massiven Objekten – beispielsweise einem Galaxienhaufen – ist die Krümmung der Raumzeit viel ausgeprägter, was zu einem gekrümmten Weg des Lichts führt, wenn es durch diese Region wandert.
Gravitationslinseneffekt. ( NASA, ESA und L. Calçada )
In ihrer neuen Arbeit schlägt ein Forscherteam unter der Leitung des theoretischen Physikers Siddharth Mishra-Sharma von der New York University einen Rahmen für die Erkennung von Gravitationslinsen in einzelnen Sternen in der Milchstraße vor, um lokale dunkle Materie aufzuspüren.
Wenn dunkle Materie an einem Stern vorbeizieht, sollte sie – theoretisch – die Helligkeit des Sterns so verändern, dass es den Anschein hat, als würde sich der Stern bewegen. Dies wird seit Jahrzehnten vorhergesagt und wird als astrometrischer schwacher Gravitationslinseneffekt bezeichnet (Astrometrie ist die Untersuchung der Bewegung von Sternen), aber der Effekt ist so gering, dass seine Entdeckung eine umgekehrt proportionale Herausforderung darstellt.
Mishra-Sharma und seine Kollegen schlagen vor, dass der astrometrische schwache Gravitationslinseneffekt möglicherweise nicht bei einzelnen Sternen, sondern in Gruppen nachweisbar ist.
„In diesem Artikel schlagen wir eine neue Technik vor, um die Populationseigenschaften der galaktischen Substruktur durch ihren kollektiven Linseneffekt auf entfernte Quellen zu charakterisieren.“ sie schrieben in ihrer Zeitung .
„Wir zeigen, dass es mit astrometrischen Beobachtungen der nahen Zukunft möglich sein könnte, Populationen kalter Subhalos aus dunkler Materie, kompakter Objekte sowie Dichteschwankungen, die durch dunkle Materie im Skalarfeld verursacht werden, statistisch zu erfassen.“
Mit sehr präzisen astrometrischen Beobachtungen würde der Rahmen des Teams es Astronomen ermöglichen, durch die Analyse der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverteilungen von Sternen und Galaxien auf das Vorhandensein dunkler Materie zu schließen. Sie wandten ihre Technik auch auf eine Reihe simulierter Szenarien an und stellten fest, dass diese Verteilungen je nach Art der Dunklen Materie variieren – das Framework könnte also auch bei der Validierung von Dunkle-Materie-Modellen helfen.
Und sie fanden heraus, dass die Umlaufbahn der Sonne um das galaktische Zentrum zu einer Asymmetrie in den Verteilungen führen würde, die dabei helfen könnte, das schwache astrometrische Gravitationslinsensignal vom Rauschen zu trennen.
Der umfassendste astrometrische Katalog, den wir derzeit haben, stammt von der Europäischen Weltraumorganisation Gaia-Satellit , ein laufendes Projekt zur Kartierung der Milchstraße in drei Dimensionen mit der bisher höchsten Präzision. Das Team versuchte, sein Framework auf Gaia-Daten anzuwenden, und stellte fest, dass die Rauschpegel im Datensatz zu hoch waren, um ein anständiges Signal zu erkennen.
Sie weisen aber auch darauf hin, dass zukünftige Gaia-Datenveröffentlichungen sowie kommende Teleskope bessere Ergebnisse liefern könnten.
„Astrometrische Datensätze, die von Umfragen der nahen Zukunft wie dem Square Kilometre Array und dem Nancy Grace Roman Space Telescope geliefert werden, könnten den Abdruck einer Unterstruktur enthalten, die für eine Reihe gut motivierter neuer physikalischer Szenarien charakteristisch ist, wie z. B. kalte dunkle Materie oder die Existenz kompakter Materie.“ Dunkle Objekte und Skalarfeld-Dunkle Materie“, sie schrieben in ihrer Zeitung .
„Obwohl die aktuellen instrumentellen Rauschpegel einer realistischen Suche nach neuer Physik nicht förderlich sind, kann unsere Proof-of-Principle-Analyse problemlos auf zukünftige astrometrische Datensätze übertragen und angewendet werden, einschließlich derjenigen in kommenden Gaia-Datenveröffentlichungen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Körperliche Untersuchung D .