Schlagwort: Dunkle Materie

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Abell 370: Galaxienhaufen-Gravitationslinse

Siehe Erklärung. Ein Klick auf das Bild lädt die höchstaufgelöste verfügbare Version.

Bildcredit: NASA, ESA, Hubble; Bearbeitung und Bildrechte: Rogelio Bernal Andreo (DeepSkyColors.com)

Beschreibung: Was sind diese seltsamen Bögen? Beim Abbilden des Galaxienhaufens Abell 370 entdeckten Astronomen einen ungewöhnlichen Bogen. Die Natur des Bogens wurde nicht sofort erkannt, sondern erst, als bessere Bilder zeigten, dass der Bogen eine noch nie zuvor beobachtete Art astrophysikalisch verzerrter Abbildungen in Gravitationslinsen war, bei denen das Zentrum eines ganzen Galaxienhaufens die Linse ist.

Heute wissen wir, dass dieser Bogen – der hellste Bogen im Haufen – eigentlich aus zwei verzerrten Bildern einer ziemlich normalen Galaxie besteht, die zufällig weit entfernt dahinter liegt. Durch die Gravitation von Abell 370 wurde das Licht der Hintergrundgalaxien – und anderer Galaxien – verteilt, sodass es auf mehrfachen Lichtlaufwegen zum Beobachter gelangte – ähnlich wie wenn ein fernes Licht durch den Stiel eines Weinglases leuchtet.

Fast alle hier abgebildeten gelblichen Strukturen sind Galaxien im Haufen Abell 370. Ein scharfes Auge erkennt jedoch viele seltsame Bögen und verzerrte Bogenteile, die eigentlich die Bilder ferner normaler Galaxien sind, welche durch Gravitation gebrochen wurden. Untersuchungen von Abell 370 und seiner Bilder bieten Astronomen einen einzigartigen Blick auf die Verteilung normaler und Dunkler Materie in Galaxienhaufen und im Universum.

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Planck-Karten des Mikrowellenhintergrundes

Das ovale Bild ist eine Karte der kosmischen Hintergrundstraße. Rote und blaue Flecken zeigen Stellen, die heißer oder kälter sind als der Durchschnitt.

Bildcredit: Europäische Weltraumagentur ESA, Planck-Arbeitsgemeinschaft

Woraus besteht unser Universum? Um das herauszufinden, startete die ESA den Satelliten Planck. Er kartierte von 2009 bis 2013 leichte Temperaturunterschiede auf der ältesten bekannten optischen Oberfläche so detailreich wie nie zuvor. Diese Oberfläche ist der Himmelshintergrund, der vor Milliarden Jahren übrig blieb, als unser Universum erstmals für Licht durchsichtig wurde.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist in allen Richtungen sichtbar. Es ist ein komplexer Bildteppich. Wir beobachten heiße und kalte Muster an Stellen, wo das Universum aus bestimmten Arten von Energie besteht, die sich auf eine gewisse Weise entwickelt haben. Letzte Woche wurden die endgültigen Ergebnisse veröffentlicht. Sie bestätigen, dass ein Großteil unseres Universums aus rätselhafter, unbekannter Dunkler Energie besteht. Außerdem ist ein Großteil der verbleibenden Materieenergie seltsam dunkel.

Die „finalen“ Planckdaten von 2018 bestätigen auch, dass das Universum etwa 13,8 Milliarden Jahre alt ist. Sie zeigen auch, dass die lokale Ausdehnungsrate, die sogenannte Hubblekonstante, 67,4 (+/- 0,5) km/sec/Mpc beträgt. Seltsamerweise ist die Hubblekonstante, die durch Beobachtung des frühen Universums ermittelt wurde, etwas niedriger als die Hubblekonstante, die mit anderen Methoden im späten Universum gemessen wurde. Dieser Unterschied sorgt für Diskussionen und Vermutungen.

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Zufallsblitz – ein Kandidat für den bisher fernsten Stern

Die Markierung im linken Bild zeigt einen besonderen Stern, der in den Einschüben rechts markiert ist. Im oberen Bild von 2011 ist an der Stelle kein Stern, im unteren Bild von 2016 tauchte er wie aus dem Nichts auf.

Bildcredit: NASA, ESA und P. Kelly (U. Minnesota) et al.

Stammt dieser Blitz vom fernsten Stern, den wir je gesehen haben? Auf Bildern des Weltraumteleskops Hubble wurde zufällig ein unerwarteter Lichtblitz entdeckt. Er ist vielleicht nicht nur ein ungewöhnliches Ereignis, bei dem eine Gravitationslinse entstand. Es kann sein, dass er das Bild eines normalen Sterns ist, der 100 Mal weiter entfernt ist als jeder Stern, der bisher einzeln abgebildet wurde.

Das Bild zeigt links viele gelbliche Galaxien im Galaxienhaufen. Rechts zeigt ein ausgedehntes Quadrat, wo 2016 eine Quelle auftauchte, die 2011 nicht erkennbar war. Das Spektrum und die Veränderlichkeit dieser Quelle ähneln seltsamerweise nicht einer Supernova. Stattdessen passen sie eher zu einem normalen blauen Überriesenstern, der durch mehrere ausgerichtete Gravitationslinsen etwa 2000-fach vergrößert wurde. Diese Quelle wird Icarus genannt. Sie befindet in einer Galaxie, die weit hinter dem Galaxienhaufen im fernen Universum liegt – bei einer Rotverschiebung von 1,5.

Nehmen wir an, die Linse wurde korrekt interpretiert und Icarus ist kein explodierender Stern. Dann könnten weitere Beobachtungen dieses Sterns und anderer Sterne, die ähnlich vergrößert sind, Information liefern, wie viel stellare und Dunkle Materie in diesem Galaxienhaufen und im Universum vorhanden ist.

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Dunkle Materie in einem simulierten Universum

Auf dieser Simulation ziehen sich dunkle Fäden durchs Universum. Es ist Dunkle Materie. Die bekannte Materie sind orangefarbige Klumpen, es gibt nur wenige davon.

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

Spukt es im Universum? Auf dieser Karte der Dunklen Materie scheint es so. Die Gravitation unsichtbarer Dunkler Materie erklärt am besten, warum Galaxien so schnell rotieren und warum sie so schnell um Haufen kreisen. Sie erklärt auch, warum Gravitationslinsen Licht so stark ablenken und warum sichtbare Materie so verteilt ist, wie sie ist. Das gilt im lokalen Universum, aber auch im kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Das Bild entstand durch eine detailreiche Simulation mit Computern. Es stammt aus der Weltraumschau „Dunkles Universum” des Hayden-Planetariums im Amerikanischen Museum für Naturgeschichte. Das Bild zeigt, wie die allgegenwärtig die Dunkle Materie im Universum spukt. Die schwarzen, komplexen Fasern bestehen aus Dunkler Materie, die alles durchdringt. Sie sind hier wie Spinnennweben im Universum verteilt. Nur wenige Klumpen bestehen aus bekannter baryonischer Materie. Sie sind orange gefärbt. Die Simulation passt gut zu den Beobachtungen der Astronomie.

Dunkle Materie ist an sich schon ziemlich seltsam. Ihre Form ist unbekannt. Noch unheimlicher ist, dass sie nicht mehr als die seltsamste Quelle für Gravitation im Universum gilt, die wir vermuten. Diese Ehre gebührt nun der Dunklen Energie. Sie ist eine homogenere Quelle abstoßender Gravitation. Anscheinend bestimmt sie die Ausdehnung des ganzen Universums.

Nicht nur Halloween: Heute ist Tag der Dunklen Materie

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Das Grinsen der Gravitation

Mitten im Bild leuchten Galaxien, die von einem violett leuchtenden Nebel umgeben sind. Weitere Galaxien, die zu Bögen verzerrt sind, umgeben den Nebel. Alles zusammen lässt das Gebilde wie ein lächelndes Gesicht erscheinen.

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

Albert Einstein publizierte die Allgemeine Relativitätstheorie vor mehr als 100 Jahren. Sie sagte den Effekt der Gravitationslinsen vorher. Dieser verleiht fernen Galaxien so eine wunderliche Erscheinung, wenn man sie auf Bildern betrachtet, die mit den Spiegeln der Weltraumteleskope Chandra und Hubble aufgenommen wurden. Sie zeigen eine Galaxiengruppe in Röntgen- und sichtbarem Licht.

Die Gruppe hat den Spitznamen Grinsekatzen-Galaxiengruppe. Vielsagende Bögen rahmen die beiden großen elliptischen Galaxien der Gruppe. Die Bögen sind Bilder ferner Galaxien im Hintergrund. Die Verteilung der Gravitationsmasse in der vorderen Gruppe krümmt sie. Diese Masse besteht vorwiegend aus Dunkler Materie.

Die beiden großen elliptischen „Augen“-Galaxien sind die hellsten in der Gruppe, die verschmelzen. Die relative Geschwindigkeit der Kollision beträgt fast 1350 km/s. Sie erhitzt das Gas auf Millionen Grad. Dabei entsteht das violett gezeigte Leuchten in Röntgenlicht. Neugierig auf die Verschmelzung der Galaxiengruppe? Die Grinsekatze lächelt im Sternbild Große Bärin. Sie ist etwa 4,6 Milliarden Lichtjahre entfernt.

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Vier Bilder eines Quasars umgeben eine Galaxienlinse

Zwischen gelb leuchtenden Galaxien leuchtet ein seltsames Objekt. Ein Ring mit vier hellen Lichtern, die ein Kreuz bilden, umgibt ein weniger helles Objekt. Das Objekt in der Mitte ist eine Gravitationslinse für einen Quasar.

Bildcredit: ESA/Hubble, NASA, Sherry Suyu et al.

Das Seltsame an dieser Gruppe aus Lichtern ist: Vier davon sind derselbe ferne Quasar. In der Mitte der Quasarbilder liegt nämlich eine Galaxie im Vordergrund, die als unruhige Gravitationslinse wirkt. Ihr seht sie hier. Vielleicht noch seltsamer ist, dass man schätzen kann, mit wie schnell das Universum expandiert, indem man das Flackern des Quasars im Hintergrund beobachtet. Denn die Abläufe des Flackerns nehmen zu, wenn die Geschwindigkeit der Expansion steigt.

Das Verrückteste ist vielleicht, dass dieser mehrfach abgebildete Quasar ein Hinweis auf ein Universum ist, das etwas schneller expandiert, als man mit verschiedenen Methoden, die für das frühe Universum gelten, schätzte. Das ist so, weil … nun ja, niemand weiß, warum.

Mögliche Gründe gibt es viele: eine unerwartete Verteilung Dunkler Materie, ein unerwarteter Gravitationseffekt oder etwas ganz anderes. Vielleicht klären künftige Beobachtungen und Analysen diese Unklarheiten, die bei diesem und ähnlich gebrochenen Quasarbildern bestehen.

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Polarring-Galaxie NGC 660

Zwischen lose verteilten Sternen und ein paar kleinen Galaxien schwimmt eine verzerrte Galaxie, die von einem Ring umgeben ist. Vor der hellen Scheibe verlaufen markante dunkle Staubbahnen.

Bildcredit und Bildrechte: CHART32-Team, Bearbeitung – Johannes Schedler

Dieser kosmische Schnappschuss zeigt die Galaxie NGC 660. Sie ist mehr als 40 Millionen Lichtjahre entfernt und schwimmt im Sternbild Fische. Die seltsame Erscheinung von NGC 660 markiert sie als Polarring-Galaxie. Diese seltene Galaxienart hat eine beträchtliche Population aus Sternen, Gas und Staub, die in Ringen kreisen. Diese Ringe sind stark zur Ebene der Galaxienscheibe geneigt.

Die bizarre Anordnung entstand vielleicht zufällig, als eine Scheibengalaxie Materie von einer Galaxie einfing, die vorbeizog. Dabei wurden Teile eingefangen und am Ende in einen rotierenden Ring gezogen. Die gewaltige gravitative Wechselwirkung führte in diesem Fall zu den Myriaden rötlicher Regionen mit Sternbildung. Sie sind im Ring um NGC 660 verteilt.

Der Polarring macht es möglich, die Form des sonst unsichtbaren Hofes aus Dunkler Materie zu erforschen. Dazu berechnet man, wie sich die Gravitation der Dunklen Materie auf die Rotation von Ring und Scheibe auswirkt. Der Ring um NGC 660 ist breiter als die Scheibe und reicht über 50.000 Lichtjahre.

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Die Materie des Geschoßhaufens 1E 0657-558

Mitten im Bild liegt der Geschoßhaufen, er ist von Sternen und Galaxien umgeben. Zwei rote Wolken zeigen Gas, das in Röntgenlicht leuchtet. Außen sind zwei blaue Wolken, sie zeigen die Verteilung der Dunklen Materie, falls es sie gibt.

Bildcredit: Röntgen: NASA/CXC/CfA/ M. Markevitch et al.; Gravitationslinsenkarte: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al.; Optisch: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Was ist mit dem Geschoßhaufen los? Der massereiche Galaxienhaufen (1E 0657-558) verzerrt Galaxien im Hintergrund durch Gravitationslinsen. Das gilt als starkes Indiz für die führende Theorie, nämlich dass es darin Dunkle Materie gibt.

Doch aktuelle Analysen zeigen, dass es eine weniger beliebte Möglichkeit gibt. Sie geht von veränderlicher Gravitation aus. Das könnte das Spiel der Kräfte im Haufen ohne Dunkle Materie erklären. Diese Möglichkeit bietet auch ein Szenario für die Entstehung, das manche für wahrscheinlicher halten. Beide wissenschaftliche Hypothesen wetteifern um die Erklärung der Beobachtungen. Gibt es nun unsichtbare Materie oder modifizierte Gravitation?

Die Diskussion ist spannend. Sie ist nämlich ein gutes Beispiel dafür, wie die Existenz Dunkler Materie die Einfachheit der Theorie mit veränderter Gravitation zunichte machen würde. Der Streit um den Geschoßhaufen wird in naher Zukunft wahrscheinlich fortgeführt, wenn es neue Beobachtungen, Analysen und Simulationen mit Computern gibt.

Für das Bild wurden Daten von Hubble, Chandra und Magellan kombiniert. Rot zeigt die Röntgenstrahlung, die von heißem Gas ausgeht. Die vermutete Verteilung der getrennten Dunklen Materie ist blau abgebildet.

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