Seltsame Beobachtungen von Galaxien stellen Ideen über dunkle Materie in Frage

Verblüffende Beobachtungen von entfernten Galaxien stellen die dominanten Ideen der Kosmologen über das Universum in Frage, was möglicherweise zur Implikation führt, dass die seltsame Substanz namens dunkle Materie nicht existiert.

Das ist eine mögliche Schlussfolgerung einer neuen Studie, die am 20. Juni in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde. Der Befund „wirft Fragen von außergewöhnlich fundamentaler Natur auf“, sagt Richard Brent Tully, ein Astronom an der Universität von Hawaii in Manoa, der an der Arbeit nicht beteiligt war.

Astronomen vermuten, dass dunkle Materie existiert, aufgrund der Art und Weise, wie sich Sterne und anderes sichtbares Material am sichtbaren Rand einer Galaxie drehen. Die Rotationsgeschwindigkeiten von Objekten, die weit vom galaktischen Zentrum entfernt sind, sind viel höher als sie es angesichts der Menge an leuchtendem Material, das in Teleskopen zu sehen ist, sein sollten. Nach dem aktuellen Verständnis der Physiker von der Schwerkraft bedeutet dies, dass ein massiver Vorrat an unsichtbarer Materie an diesen Sternen ziehen muss.

Die neuen Ergebnisse basieren auf der Tatsache, dass massive Objekte das Gefüge von Raum und Zeit krümmen. Galaxien bestehen aus enormen Mengen an sichtbaren Sternen, Gas und Staub sowie — so die Theorie — einem riesigen Halo aus unsichtbarer dunkler Materie. Das bedeutet, dass Licht gebogen und verzerrt wird, wenn es an einer Galaxie vorbeizieht, ein Effekt, der als Gravitationslinsen bekannt ist.

Mit diesem Wissen beschlossen der Astronom Tobias Mistele von der Case Western Reserve University in Cleveland und seine Kollegen, nach Anzeichen von Gravitationslinsen um mehrere Galaxien zu suchen, um den Inhalt der Galaxien zu erkunden. Das Team betrachtete einen Katalog von etwa 130.000 Galaxien, die vom VLT Survey Telescope am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte in Chile abgebildet wurden, und suchte nach verräterischen Streifen, die auf das Vorhandensein entfernterer Galaxien hindeuteten, deren Licht durch die dazwischenliegenden Objekte gebogen und verzerrt wurde.

Die Menge des Linseneffekts liefert einen Indikator für die Massen der Vordergrundgalaxien, einschließlich sowohl ihrer leuchtenden Materie als auch vermutlich der viel größeren Menge an dunkler Materie, die jede Galaxie umgibt. Das Team berechnete dann die Masse in verschiedenen Entfernungen vom Zentrum jeder Galaxie und verwendete diese Berechnungen, um die Geschwindigkeit abzuleiten, mit der ein Stern in diesen Entfernungen umkreisen würde.

Nach dem vorherrschenden Modell der Kosmologie, genannt Lambda CDM, klumpt dunkle Materie im Kosmos zu enormen Massen zusammen, und die Gravitationsanziehung dieser Massen zieht sichtbare Materie an, die dann eine Galaxie bildet (SN: 4/4/24). Frühere Beobachtungen haben ergeben, dass sich diese haloartigen Klumpen bis zu mindestens 300.000 Lichtjahre vom Zentrum einer Galaxie erstrecken. Jenseits dieses Randes sollten die Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne langsamer werden.

Doch unter Verwendung ihrer Gravitationslinsendaten berechneten Mistele und seine Kollegen, dass ein Stern, der eine Million Lichtjahre vom Zentrum jeder Galaxie entfernt platziert ist, und möglicherweise bis zu 3 Milliarden Lichtjahre entfernt, immer noch viel zu schnell rotieren würde, angesichts der sowohl sichtbaren als auch dunklen Materie, von der angenommen wird, dass sie in der Galaxie vorhanden ist.

Bedeutet das, dass es sogar noch mehr unsichtbares Material gibt als bisher gedacht? Vielleicht nicht.

Eine konkurrierende Theorie zu Lambda CDM, bekannt als modifizierte Newtonsche Dynamik oder MOND, verzichtet vollständig auf das Konzept der dunklen Materie und schlägt stattdessen vor, dass sich die Schwerkraft auf der Skala von Galaxien anders verhält (SN: 3/28/18). MOND, lange von Misteles Koautor Stacy McGaugh, ebenfalls von Case Western, verteidigt, sagt speziell die Arten von Beobachtungen voraus, die in der Studie gefunden wurden.

Aber Lambda CDM ist noch nicht abgeschrieben.

„Ich denke, es ist eine wirkliche Heraus-forderung zu sagen, dass man auf dunkle Materie verzichten kann, weil die Beweislage [dafür] so zahlreich ist“, sagt Bhuvnesh Jain, ein Kosmologe an der University of Pennsylvania.

Zum Beispiel wird das Wachstum großräumiger Strukturen im Universum seit dem Urknall durch Lambda CDM weit besser erklärt als durch MOND. Jain schlägt vor, dass es vielleicht sogar noch exotischere Ideen in mathematischen Modellen der Schwerkraft gibt, inspiriert durch das höherdimensionale Denken, das in der Stringtheorie zu finden ist, die die aktuelle großräumige Struktur des Universums erklären könnten. Bestimmte Variationen solcher Ideen könnten die Daten von Mistele und seinen Kollegen erklären und gleichzeitig die Rolle der dunklen Materie überarbeiten.

Beobachtungen vom Euclid-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation, der letztes Jahr gestartet wurde, werden den Forschern bald weitaus bessere Gravitationslinsendaten liefern, was möglicherweise hilft, dieses seltsame Rätsel zu entwirren.