So wie Wellen in einem Teich darauf hinweisen, dass jemand einen Stein geworfen, einen Wasserzähler gelaufen oder einen Frosch gesprungen hat, wird die Existenz einer mysteriösen Substanz - der dunklen Materie - durch ihren enormen Einfluss auf den Weltraum bestimmt. Astronomen können es nicht direkt beobachten, aber die Schwerkraft der dunklen Materie bestimmt die Geburt, Form und Bewegung von Galaxien. Dies macht die Entdeckung des letzten Jahres völlig unerwartet: In einer seltsamen, diffusen Galaxie wurde überhaupt keine dunkle Materie gefunden. Glaubst du, das ist alles? Egal wie es ist.
Galaxien ohne dunkle Materie
Mehrere Wissenschaftler begrüßten diese Entdeckung. Andere haben ihre Zweifel geäußert, indem sie die Messung der Entfernungen und Bewegungen der Galaxie kritisiert haben. Es steht viel auf dem Spiel: Wenn es in dieser Galaxie tatsächlich an dunkler Materie mangelt, wird dies paradoxerweise die Existenz dieser Materie bestätigen.
Und so hat das ursprüngliche Team zusätzliche Beweise erhalten, um seine ursprüngliche Entdeckung zu unterstützen. Zusätzlich wurde eine zweite Galaxie mit ähnlichen Symptomen entdeckt. Wo früher eine ultradiffuse Galaxie ohne dunkle Materie war (auf den ersten Blick), gibt es jetzt zwei.
„Ein Objekt kann immer als Einhorn abgeschrieben werden, aber sobald Sie zwei Einhörner finden, wundern Sie sich über die mögliche Existenz von Einhörnern“, sagt Michael Boylan-Kolchin, Astronom an der Universität von Texas in Austin, der nicht an der Studie beteiligt war. "Und dann fängst du an darüber nachzudenken, woher sie kommen, was ihre Eigenschaften sind und wie häufig sie sind."
Einhörner finden
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Die beiden für uns interessanten Galaxien sind sehr schwach und weit von der Erde entfernt: In den letzten Tagen der Regierungszeit der Dinosaurier vor etwa 65 Millionen Jahren begannen Photonen aus ihren Sternhaufen auf unseren Planeten zu wandern. Die erste Galaxie NGC 1052-DF2 hat die Größe der Milchstraße, enthält jedoch 100-mal weniger Sterne. Die neue Galaxie NGC 1052-DF4 befindet sich in derselben Region des Himmels und ist in Größe und Masse ungefähr gleich.
Im März letzten Jahres veröffentlichten Wissenschaftler unter der Leitung von Shani Danieli und Peter van Dokkum von der Yale University eine Studie, in der die Größe von NGC 1052-DF2 durch Beobachtung seines Sternenlichts sowie der Bewegungen der ihn umgebenden Sternhaufen geschätzt wurde. Wenn NGC 1052-DF2 so viel dunkle Materie enthalten würde, wie Astronomen normalerweise erwarten würden, würde dunkle Materie die Umlaufgeschwindigkeit dieser Sternphänomene erhöhen. Aber sie bewegen sich träge, was darauf hindeutet, dass es keine dunkle Materie gibt. Kritiker argumentieren, dass die Geschwindigkeiten dieser Sternhaufen falsch berechnet wurden - und selbst wenn sie korrekt waren, war die Stichprobengröße von nur 10 Sternhaufen zu bescheiden, um den Bestand an dunkler Materie von NGC 1052-DF2 zuverlässig zu bestimmen.
Im Oktober beschloss Danieli, dieses Problem mit einer anderen Technik anzugehen. Sie nahm den Keck Cosmic Web Imager, ein neues Instrument, das kürzlich hinter dem riesigen 10-Meter-Hauptspiegel des Keck-Teleskops in Hawaii installiert wurde. Dieses Instrument kann Licht von sehr schwachen Objekten mit extrem hoher Auflösung messen und ist daher ideal für die Untersuchung ultradiffuse Galaxien wie NGC 1052-DF2. Dieses Werkzeug war so gut, dass Danieli die Bewegungen des Sternhaufens nicht mehr untersuchen musste, um die Masse der Galaxie zu bestimmen. Stattdessen konnte sie direkt Masse bekommen, direkt unter Verwendung des Sternenlichts der Galaxie.
In Bezug auf Informationen enthält Starlight viel davon. Durch die Trennung des Lichts in seine Grundfarben (dies wird als Spektroskopie bezeichnet) können Wissenschaftler die Zusammensetzung eines Sterns, sein Alter, seine Richtung im Raum und seine Geschwindigkeit bestimmen. Die meisten dieser Informationen werden in Form von Spektrallinien übertragen - linearen Elementen, die aufgrund der Emission oder Absorption verschiedener chemischer Elemente in das Spektrum eines Sterns eingebettet sind. Kecks Instrument maß das Spektrum von ungefähr 10 Millionen Sternen in der DF2-Galaxie. Die Größe der Ausbreitung zwischen den schnellsten und langsamsten Sternen in der Galaxie gibt eine Vorstellung davon, wie viel Materie mit ihnen interagiert. Je mehr Materie - dunkel oder auf andere Weise - desto größer ist die Ausbreitung der Geschwindigkeit der Sterne.
„Zu unserer eigenen Überraschung haben wir extrem schmale Spektrallinien gemessen, die nur sehr wenig Raum für mehr Masse lassen als die Masse, die Sterne in die Galaxie bringen“, sagt Danieli. Es gibt einfach keinen Platz für dunkle Materie.
In der Zwischenzeit haben Erik Emsellem vom European Southern Observatory und seine Kollegen die Galaxie mit dem Very Large Telescope in der chilenischen Atacama-Wüste erkundet. Sie entdeckten auch eine Dispersion mit niedriger Geschwindigkeit, die das fehlende Szenario der dunklen Materie unterstützt.
Nicholas Martin, Astronom an der Universität Straßburg in Frankreich, war einer der Kritiker des Originalartikels. In einem im letzten Jahr veröffentlichten Follow-up-Artikel argumentierte er, dass es zu schwierig sei, die Masse der DF2-Galaxie anhand der Bewegungen des umgebenden Sternhaufens abzuschätzen. Aber Martin sagt, er sei durch die neuesten Ergebnisse von Danieli und Emsell beruhigt worden.
„Dies ist dank neuer Instrumente möglich geworden, die an den größten Teleskopen der Welt angekommen sind. Und um ehrlich zu sein, war mir vor einem Jahr nicht klar, dass dies machbar sein würde. Vor einem Jahr war ich nicht bereit zu sagen, dass dieses System unbedingt seltsam sein würde, da es mir so schien, als würden Messungen von den Daten nicht vollständig unterstützt. Aber jetzt, da es zwei verschiedene Teams gibt, die den Geschwindigkeitsbereich der Sterne selbst gemessen haben, ist es meiner Meinung nach offensichtlich geworden, dass es eine Verrücktheit gibt."
Danielis Ergebnisse wurden auf einer Konferenz über Dunkle Materie an der Princeton University vorgestellt und werden in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Insgesamt deutet ihre Forschung darauf hin, dass es eine ganze Klasse solcher Galaxien gibt, die keine dunkle Materie enthalten.
Auf der Suche nach der fehlenden Materie
Einige Astronomen zerbrechen sich den Kopf darüber, wie sich solche Galaxien bilden könnten und wohin die dunkle Materie ging. Boylan-Kolchin sagt, eine Möglichkeit sei die Anziehungskraft einer benachbarten, viel größeren Galaxie, die von der dunklen Materie getrennt ist. Oder DF2 und DF4 sind möglicherweise überhaupt keine Galaxien, sondern bescheidene Ansammlungen von Sternen, die als Galaxien getarnt sind. In diesem Fall könnten sich diese isolierten Gruppen von Sternen aus kollidierenden Gasstrahlen bilden, die an anderer Stelle entweichen. Oder es gibt noch langweiligere Szenarien, zum Beispiel die Ausrichtung von Galaxien relativ zur Erde, was sich nachteilig auf die Erzielung genauer spektraler Messungen ihrer Bewegungen auswirkt.
Eines ist sicher klar: Wenn keine gewichtigen Zweifel auftauchen, zeigt das Fehlen dunkler Materie in Galaxien überzeugend, dass diese Materie von Sternen, Gas, Staub und anderen gewöhnlichen Materien trennbar ist. Und das wiederum stärkt das Argument für die Existenz dunkler Materie.
Bis heute hat niemand trotz jahrzehntelanger intensiver Forschung definitiv dunkle Materie entdeckt. Mangelnde Beweise haben einige Astrophysiker dazu veranlasst, nach alternativen Wegen zu suchen, um Galaxien zu formen und ihre Bewegung durch die Entstehung von Hypothesen wie "emergente Schwerkraft" und "modifizierte Newtonsche Dynamik" zu steuern. Befürworter dieser Hypothesen argumentieren, dass die meisten Astronomen glauben, dass dunkle Materie ein Phänomen sein könnte, das aus der Physik hervorgeht, die wir nicht vollständig verstehen. Aber in diesem Fall sprechen diese seltsamen Galaxien dafür, dass die Alternativen falsch sind und dass dunkle Materie tatsächlich die Ursache sein kann.
Ilya Khel
