Schlagwort: Dunkle Materie

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Euclid zeigt den Perseus-Galaxienhaufen

Das Bild zeigt viele Galaxien, einige davon sind in einem zentralen Balken zu sehen, der fast horizontal über das Bild verläuft.

Bildcredit und Lizenz: ESA, Euclid, Euclid-Konsortium, NASA; Bearbeitung: Jean-Charles Cuillandre (CEA Paris-Saclay) und Giovanni Anselmi; Text: Jean-Charles Cuillandre

Bühne frei für ein neues Weltraumteleskop: Euclid. Euclid ist mit zwei großen Weitwinkelkameras ausgestattet und beobachtet sowohl im sichtbaren Licht als auch im nahen Infrarot. Um die mehr als 1000 Galaxien des Perseushaufens in einer Entfernung von 250 Millionen Lichtjahren zu erfassen, musste Euclid mit seinem 1,20 Meter durchmessenden Hauptspiegel und seiner scharfen Optik fünf Stunden lang belichten. Mehr als 100.000 Galaxien sind im Hintergrund sichtbar, von denen einige bis zu 10 Milliarden Lichtjahre weit weg sind.

Das neuartige an Euclid ist die Kombination seines großen Gesichtsfelds von der doppelten Fläche des Vollmonds, seiner hohen Winkelauflösung (durch seine 620-Megapixel-Kamera) und der Nutzung des Infrarotbereichs, in dem sowohl Bilder als auch Spektren aufgenommen werden. Euclids erste Himmelsdurchmusterungen werden ein Drittel des Himmels abdecken und über 2 Milliarden Galaxien erfassen. Dadurch wird es möglich zu untersuchen, wie die Dunkle Materie und die Dunkle Energie das Aussehen unseres Universums geprägt haben.

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Der Galaxienhaufen Abell 370 und mehr

Das Bild ist voller Galaxien. Im Vordergrund befinden sich unverzerrte Galaxien, dazwischen sind schmale Bögen von weit dahinter liegenden, stark verzerrten Galaxien verteilt.

Bildcredit: NASA, ESA, Jennifer Lotz und das HFF-Team (STScI)

Dieser scharfe Schnappschuss des Weltraumteleskops Hubble zeigt den etwa 4 Milliarden Lichtjahre entfernten massereichen Galaxienhaufen Abell 370. Er wird scheinbar von zwei riesigen elliptischen Galaxien betont und ist von blassen Bögen durchzogen.

Die blasseren, überall verteilten bläulichen Bögen und der imposante Drachenbogen links unter der Mitte sind in Wirklichkeit Bilder von Galaxien, die weit hinter Abell 370 liegen. Ihr Licht, das sonst unentdeckt bleiben würde, legte die doppelte Entfernung zurück. Die gewaltige Gravitationsmasse des Haufens – überwiegend unsichtbare Dunkle Materie – vergrößert und verzerrt ihr Licht.

Der Effekt, der diesen spannenden Ausblick auf Galaxien im frühen Universum ermöglicht, ist als Gravitationslinseneffekt bekannt. Gravitationslinsen sind eine Folge der gekrümmten Raumzeit und wurden erstmals vor etwa 100 Jahren von Einstein vorhergesagt.

Abell 370 liegt weit hinter dem gezackten Vordergrundstern in der Milchstraße, der rechts unten im Sternbild Walfisch, dem Meeresungeheuer, leuchtet. Der Galaxienhaufen war der letzte von sechs, die beim Projekt Grenzgebiete abgebildet wurden.

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Webbs erstes Teleskopfeld

Das Bild ist von hellen leuchtenden Objekten übersät, von denen die meisten Galaxien sind. In der Mitte leuchtet ein Stern mit den für das JWST typischen Zacken.

Bildcredit: NASA, ESA, CSA, STScI, NIRCam

Dieses atemberaubende Bild wurde vor einem Jahr veröffentlicht. Damals begann das Weltraumteleskop James Webb mit seiner Erforschung des Kosmos. Diese Ansicht des frühen Universums im südlichen Sternbild Fliegender Fisch (Volans) wurde 12,5 Stunden mit Webbs Insrtrument NIRCam belichtet.

Die Einzelsterne mit sechs Spitzen liegen in unserer Milchstraße. Das Muster ihrer Beugungsspitzen ist typisch für die 18 sechseckige Spiegelsegmente von Webb, die wie ein einziger 6,5 Meter großer Primärspiegel zusammenwirken. Die mehrere Tausend Galaxien im Sichtfeld gehören zu dem Galaxienhaufen SMACS0723-73, der etwa 4,6 Milliarden Lichtjahre entfernt ist.

Die leuchtenden Bögen, die das detailreiche Feld durchdringen, sind Galaxien, die sogar noch weiter entfernt sind. Ihre Bilder werden durch die Masse des Galaxienhaufens verzerrt und vergrößert. Diese Masse wird von Dunkler Materie bestimmt. Es ist der sogenannte Gravitationslinseneffekt.

Auch das Licht der beiden Einzelbögen unter dem hellen gezackten Stern wurde mit Webbs Instrument NIRISS untersucht. Das Ergebnis lässt vermuten, dass die beiden Bögen Bilder derselben Hintergrundgalaxie sind. Das Licht dieser Galaxie brauchte etwa 9,5 Milliarden Jahre, um zum Weltraumteleskop James Webb zu gelangen.

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Der Galaxienhaufen der Pandora

Die hellen Flecken im Bild wirken auf den ersten Blick wie ovale Sterne, doch es sind unzählige Galaxien. Einige davon sind größere elliptische Galaxien.

Bildcredit: NASA, ESA, CSA, Ivo Labbe (Swinburne), Rachel Bezanson (Universität von Pittsburgh), Bearbeitung: Alyssa Pagan (STScI)

Dieses detailreiche Mosaikbild zeigt eine faszinierende Ansicht des Galaxienhaufens Abell 2744. Es wurde mit der NIRCam des Weltraumteleskops James Webb erstellt. Er wird auch Pandoras Haufen genannt. Abell 2744 ist etwa 3,5 Milliarden Lichtjahre entfernt und offenbar eine schwerfällige Verbindung dreier massereicher Galaxienhaufen. Ihr seht ihn im Sternbild Bildhauer.

Der Megahaufen wird von Dunkler Materie bestimmt. Er krümmt und verzerrt durch Gravitationslinsen das Gefüge der Raumzeit für die dahinter liegenden Objekte. Viele der verzerrten Quellen sind röter als die Pandora-Haufengalaxien. Es sind sehr weit entfernte Galaxien im frühen Universum, die zu Bögen gestreckt und verzerrt werden.

Die charakteristischen Beugungsspitzen markieren Sterne im Vordergrund, die sich in der Milchstraße befinden. Dieser kosmische Würfel ist in der geschätzten Entfernung des Pandora-Haufens ungefähr 6 Millionen Lichtjahre breit. Doch keine Sorge, ihr könnt diese faszinierende Region in einem 2-Minuten-Video erforschen.

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Rubins Galaxie

Die Galaxie in der Bildmitte ist schräg von oben zu sehen, sie ist von einigen Sternen umgeben, einige Spiralarme sind herausgezogen. Die Galaxie wirkt stark verzerrt.

Bildcredit: NASA, ESA, B. Holwerda (Universität von Louisville)

Die hellen, gezackten Sterne auf diesem Bild des Weltraumteleskops Hubble liegen im Vordergrund in unserer Milchstraße, und zwar im heroischen nördlichen Sternbild Perseus. Dahinter ist UGC 2885 scharf fokussiert, eine riesige, etwa 232 Millionen Lichtjahre entfernte Spiralgalaxie.

Ihr Durchmesser beträgt etwa 800.000 Lichtjahre, die Milchstraße misst im Vergleich dazu 100.000 Lichtjahre. Sie besitzt ungefähr eine Billion Sterne, das sind etwa 10-mal so viele Sterne wie in unserer Galaxis. UGC 2885 war Teil einer Untersuchung, die zeigen sollte, wie Galaxien zu einer so gewaltigen Größe anwachsen können.

Außerdem war UGC 2885 Gegenstand von „Eine interessante Reise“ und der Pionierstudie der Astronomin Vera Rubin zur Rotation von Spiralgalaxien. Ihre Arbeit war die erste, bei der die überwiegende Präsenz Dunkler Materie im Universum überzeugend belegt wurde.

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Einstein-Ring einer geschmolzenen Galaxie

Diese Galaxie ist durch eine Gravitationslinse verzerrt, als wäre sie geschmolzen

Bildcredit: ESA/Hubble und NASA, S. Jha; Bearbeitung: Jonathan Lodge

Es ist schwierig, eine Galaxie hinter einem Galaxienhaufen zu verstecken. Die Gravitation des näheren Galaxienhaufens wirkt wie eine riesige Linse, welche die Bilder der weiter entfernten Galaxie an den Seiten herumzieht und sie stark verzerrt. Genau das ist auf diesem kürzlich überarbeiteten Bild des Weltraumteleskops Hubble zu sehen.

Der Haufen GAL-CLUS-022058c besteht aus vielen Galaxien, er bricht das Bild einer gelb-roten Hintergrundgalaxie zu Bögen um die Bildmitte. Wegen ihrer ungewöhnlichen Form wird sie als geschmolzener Einsteinring bezeichnet, wobei vier Bilder derselben Hintergrundgalaxie gefunden wurden. Normalerweise kann ein Galaxienhaufen im Vordergrund nur so glatte Bögen erzeugen, wenn ein Großteil seiner Masse gleichmäßig verteilt ist – und sich somit nicht in den sichtbaren Haufengalaxien konzentriert.

Die Auswertung der Positionen dieser Gravitationsbögen bietet Astronom*innen eine Methode, um die Verteilung der Dunklen Materie in Galaxienhaufen abzuschätzen und Rückschlüsse darauf zu ziehen, wann die Sterne in diesen frühen Galaxien entstanden sind.

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Im Herzen des Virgohaufens

Das Bild zeigt den zentralen Teil des Virgo-Galaxienhaufens, darunter die hellen Galaxien M84 M84, M86 und Markarians Augen.

Bildcredit und Bildrechte: Saulius Adomaitis

Der Virgo-Galaxienhaufen ist der nächstgelegene Galaxienhaufen in der Umgebung der Milchstraße. Er ist so nahe, dass er am Himmel einen Winkel von mehr als 5 Grad einnimmt – das ist etwa der 10-fache Winkeldurchmesser eines Vollmondes. Sein Zentrum ist etwa 70 Millionen Lichtjahre entfernt.

Der nahe Virgohaufen ist ein Galaxienhaufen, der mehr als 2000 Galaxien enthält, er übt eine spürbare Anziehungskraft auf die Galaxien der Lokalen Gruppe in der Umgebung unserer Milchstraße aus. Der Haufen enthält nicht nur Galaxien voller Sterne, sondern auch Gas, das so heiß ist, dass es im Röntgenlicht leuchtet. Die Bewegungen von Galaxien in und um den Haufen lassen vermuten, dass sie mehr Dunkle Materie enthalten als jegliche Materie, die wir sehen können.

Das hier abgebildete Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens enthält helle Messier-Galaxien sowie Markarians Augen links oben, M86 über der Mitte, M84 ganz rechts und die Spiralgalaxie NGC 4388 rechts unten.

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Das Grinsen der Gravitation

Diese Grinsekatze im Sternbild Ursa Major ist ein Galaxienhaufen, der dahinter liegende Galaxien zu Bögen verzerrt, wie von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt.

Bildcredit: Röntgen – NASA / CXC / J. Irwin et al. ; Optisch – NASA/STScI

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die vor mehr als 100 Jahren publiziert wurde, sagte das Phänomen der Gravitationslinsen voraus. Dieses Phänomen verleiht weit entfernten Galaxien eine drollige Erscheinung, wenn man sie mit den Augen der Weltraumteleskope Chandra und Hubble in Röntgen- und sichtbarem Licht betrachtet.

Diese Gruppe wird landläufig als Grinsekatze bezeichnet. Die beiden großen elliptischen Galaxien sind von suggestiven Bögen gerahmt. Diese Bögen sind optische Bilder weit entfernter Hintergrundgalaxien, die von der gesamten Gravitationsmasse der Gruppe im Vordergrund gebrochen werden. In dieser gravitativen Masse überwiegt Dunkle Materie.

Die beiden großen elliptischen „Augen“-Galaxien sind die hellsten Mitglieder ihrer jeweiligen Galaxiengruppen, die gerade miteinander verschmelzen. Ihre relative Kollisionsgeschwindigkeit von fast 1350 Kilometern pro Sekunde heizt Gas auf Millionen Grad auf. Dabei entsteht Röntgenleuchten, das hier in Violett abgebildet ist.

Neugierig auf die Galaxiengruppenverschmelzung? Die Grinsekatzen-Gruppe lächelt im Sternbild Ursa Major in einer Entfernung von 4,6 Milliarden Lichtjahren.

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Dunkle Materie in einem simulierten Universum

Simulation der Verteilung Dunkler Materie im Universum.

Illustrationscredit und -rechte: Tom Abel und Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH

Beschreibung: Spukt es in unserem Universum? Auf dieser Karte der Dunklen Materie sieht es so aus. Die Schwerkraft der unsichtbaren Dunklen Materie ist die wichtigste Erklärung dafür, warum Galaxien sich so schnell drehen, warum Galaxien so schnell um Galaxienhaufen kreisen, warum Gravitationslinsen Licht so stark ablenken und warum sichtbare Materie sowohl im lokalen Universum als auch im fernen kosmischen Mikrowellenhintergrund so verteilt ist, wie sie ist.

Dieses Bild aus der Weltraumschau „Dunkles Universum“ des Hayden-Planetariums im Amerikanischen Museum für Naturkunde zeigt ein mögliches Beispiel dafür, wie allgegenwärtig Dunkle Materie in unserem Universum ist. Es stammt aus einer detailreichen Computersimulation, schwarz dargestellte komplexe Fasern aus Dunkler Materie im Universum sind wie Spinnweben verteilt. Die relativ seltenen Klumpen vertrauter baryonischer Materie sind orange gefärbt. Diese Simulation stimmt statistisch sehr gut mit den astronomischen Beobachtungen überein.

Noch gruseliger ist vielleicht, dass Dunkle Materie – obwohl sie an sich schon ziemlich seltsam ist und eine unbekannte Form hat – nicht mehr als die eigenartigste Gravitationsquelle im Universum gilt. Diese Ehre gebührt nun der Dunklen Energie, einer gleichförmigeren Quelle abstoßender Gravitation, die anscheinend die Expansion des gesamten Universums bestimmt.

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Rubins Galaxie

Die Spiralgalaxie UGC 2885 war Teil der bahnbrechenden Studie der Astronomin Vera Rubin zur Rotation von Galaxien im Zusammenhang mit Dunkler Materie.

Bildcredit: NASA, ESA, B. Holwerda (University of Louisville)

Beschreibung: Dieses Bild des Weltraumteleskops Hubble entstand im heroischen nördlichen Sternbild Perseus, die hellen, gezackten Sterne liegen im Vordergrund weit innerhalb unserer Milchstraße.

Dahinter liegt UGC 2885 im Fokus, sie ist eine helle, ungefähr 232 Millionen Lichtjahre entfernte Spiralgalaxie, etwa 800.000 Lichtjahre groß. Der Durchmesser der Milchstraße beträgt im Vergleich dazu etwa 100.000 Lichtjahre. Die Zahl ihrer Sterne beträgt ungefähr eine Billion, das sind etwa 10-mal so viele Sterne wie in der Milchstraße.

UGC 2885 war Gegenstand einer Untersuchung, um zu verstehen, wie Galaxien zu einer so gewaltigen Größe anwachsen können. Außerdem war UGC 2885 auch Teil der interessanten Reise und bahnbrechenden Studie der Astronomin Vera Rubin zur Rotation von Spiralgalaxien. Ihre Arbeit war die erste, welche die alles bestimmende Präsenz Dunkler Materie in unserem Universum überzeugend nachweisen konnte.

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Vertont: Die Materie des Geschosshaufens


Bildcredit und Bildrechte: Röntgen: NASA/CXC/SAO; Optisch: NASA/STScI, Magellan/U.Arizona; Gravitationslinsenkarte: NASA/STScI, ESO WFI, Magellan/U.Arizona; Vertonung: NASA/CXC/SAO/K.Arcand, SYSTEM Sounds (M. Russo, A. Santaguida)

Beschreibung: Was ist mit dem Geschoßhaufen los? Dieser massereiche Galaxienhaufen (1E 0657-558) bildet Gravitationslinsenverzerrungen an Hintergrundgalaxien auf eine Weise, die als Bestätigung für die führende Theorie interpretiert wurde: dass es dort Dunkle Materie gibt.

Andere Untersuchungen lassen jedoch eine weniger beliebte Alternative vermuten: veränderte Gravitation. Diese könnte die Haufendynamik ohne Dunkle Materie erklären und bietet auch ein wahrscheinlicheres Ursprungsszenario.

Derzeit wetteifern zwei wissenschaftliche Hypothesen um die Erklärung der Beobachtungen: unsichtbare Materie versus veränderte Gravitation. Das Duell ist dramatisch, denn ein eindeutiges, „kugelsicheres“ Beispiel für Dunkle Materie würde die Einfachheit der Theorie der modifizierten Gravitation erschüttern.

Dieses vertonte Kompositbild stammt von Hubble, Chandra und Magellan. Röntgenstrahlen, die von heißem Gas abgestrahlt werden, sind rot abgebildet, Blau zeigt die vorgeschlagene getrennte Verteilung der Dunklen Materie. Tiefe Töne der Sonifikation sind der Dunklen Materie zugewiesen, mittlere Frequenzen dem sichtbaren Licht und hohe Töne den Röntgenstrahlen.

Der Kampf um die Materie im Geschoßhaufen geht wahrscheinlich weiter, sobald mehr Beobachtungen, Computersimulationen und Analysen abgeschlossen sind.

Bei APOD eingereicht: Schöne Bilder des Geminiden-Meteorstroms 2020
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