Bullet Cluster: doch kein Beweis für Dunkle Materie?

Der Bullet-Cluster genannte Galaxienhaufen 1E 0657−558 galt aufgrund dortiger Gravitationslinsen bislang als einer der Beweise für die Existenz Dunkler Materie. Ein internationales Team von Forschenden hat nun neue Daten und aktuelle Bilder des James Webb Space Telescope analysiert. Demnach sind die Beobachtungen auch mit einer Alternativ-Erklärung vereinbar, die ohne Dunkle Materie auskommt. Falls es letztere doch geben sollte, dann wohl in geringerer Menge als bislang postuliert.

Vor ungefähr vier Milliarden Jahren kam es im All zu einer gewaltigen Kollision: Zwei Galaxienhaufen – Zusammenballungen von jeweils Hunderten Galaxien – rasten mit mehr als 2.500 Kilometern pro Sekunde ineinander. Galaxien-Cluster enthalten viele Milliarden von Sternen. Der größte Teil ihrer sichtbaren Materie besteht jedoch aus interstellarem Gas. Während die beiden Gaswolken einander durchdrangen, wurden sie durch Reibungskräfte erheblich abgebremst und erhitzten sich zudem stark. Mit Röntgenteleskopen kann man die heißen Wolken von der Erde aus als zwei diffuse Flecken erkennen, die relativ nahe beieinander liegen.

Die Galaxien in beiden Clustern konnten einander dagegen ungehindert durchdringen: Der Abstand zwischen den einzelnen Sternen ist so groß, dass diese einfach aneinander vorbeifliegen. Die beiden Galaxienhaufen wurden also von dem interstellaren Gas, das sie mit sich führten, getrennt. Haufen 1 befindet sich heute links von der linken Gaswolke, Haufen 2 rechts von der rechten. Zusammen bilden diese vier Strukturen den Bullet Cluster. Er hat es bei Astrophysikern zu einigem Ruhm gebracht, gilt er doch als schlagender Beweis für die Existenz Dunkler Materie.

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Spurensuche im All

Wenn man sich Bilder der Formation genau anschaut, stellt man fest, dass Galaxien, die hinter dem Bullet Cluster liegen, durch den Gravitationslinsen-Effekt sichelförmig verzerrt sind. Erstaunlicherweise ist diese Ablenkung aber nicht etwa im Bereich der beiden leuchtenden Materiewolken besonders groß – also dort, wo sich am meisten Masse konzentrieren sollte. Stattdessen üben die Galaxienhaufen rechts und links davon trotz ihrer geringeren Masse einen deutlich stärkeren Linsen-Effekt aus. Dort scheint sich also noch weitere Materie zu verstecken, die wir nicht sehen können.

„Diese Beobachtung wurde bislang als Beweis für die Existenz Dunkler Materie gewertet“, erklärt Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn, Mitglied in den Transdisziplinären Forschungsbereichen „Modelling“ und „Matter“. Denn Dunkle Materie übt zwar laut der gängigen Theorie Gravitationskräfte aus, interagiert sonst aber nicht mit normaler Materie. Sie wird also – anders als die Gaswolken – nicht durch Reibung abgebremst und trennt sich daher auch nicht von der sichtbaren Materie in den Galaxienhaufen.

Der direkte Nachweis, dass es Dunkle Materie gibt, steht jedoch bis heute aus. Der israelische Physiker Mordehai Milgrom hat bereits vor vier Jahrzehnten eine alternative Hypothese vorgeschlagen, die ohne Dunkle Materie aus­kommt – die Modifizierte Newton'sche Dynamik, MOND. Sie gilt jedoch bislang als Außen­sei­ter-The­o­rie – größtenteils auch deshalb, weil man bislang annahm, dass sie die Beobachtungen im Bullet Cluster nicht erklären kann.

„Wir zeigen jedoch in unserer Studie, dass der Bullet Cluster im Gegenteil gerade besonders gut mit dem MOND-Sze­na­rio vereinbar ist“, sagt Kroupas Mitarbeiter Dong Zhang, der einen großen Teil der Berechnungen durchgeführt hat. Denn neue Daten des James-Webb-Welt­raum­tele­skops erlauben eine genauere und bessere Berechnung der Sternenzahl in beiden Haufen. Außerdem ist heute bekannt, dass es im Bullet Cluster sehr viele schwere Elemente wie Eisen oder Sauerstoff gibt. Diese werden bei den Fusionsprozessen in Sternen „erbrütet“ – allerdings nur, wenn diese Sterne sehr massereich sind. „Wenn massereiche Sterne irgendwann einmal verglühen, werden sie zu Neutronensternen oder Schwarzen Löchern“, erklärt Zhang. „Beide sind – wie Dunkle Mate­rie – unsichtbar und lassen sich ausschließlich durch die riesigen Gravitationskräfte nachweisen, die von ihnen ausgehen.“

Co-Autor Indranil Banik von der University of Portsmouth konnte zeigen, dass sich der beobachtete Gra­vi­tations­lin­sen-Effekt durch die neu berechnete Menge von sichtbaren Sternen, Neutronensternen und Schwarzen Löchern erklären lässt. „Die Überbleibsel massereicher Sterne übernehmen im MOND-Sze­na­rio gewissermaßen die Rolle der Dunklen Materie“, sagt Kroupa. „Und auch im Standardmodell, das von der Existenz Dunkler Materie ausgeht, müsste man ihre postulierte Menge nun deutlich reduzieren – ungefähr auf die Hälfte.“ [U Bonn / dre]