10.02.2020

Galaxien-Entstehung ohne dunkle Materie

Simulation soll viele Rätsel der modernen Kosmologie lösen können.

Erstmals haben Forscher der Universitäten Bonn und Straßburg die Bildung von Galaxien in einem Universum simuliert, das ohne dunkle Materie auskommt. Für die Nachstellung dieses Prozesses am Rechner haben sie stattdessen Newtons Gravitations­gesetze modifiziert. Die Galaxien, die in der Computer­berechnung entstanden, ähneln denen, die wir heute tatsächlich sehen. Die Wissen­schaftler gehen davon aus, dass ihre Annahmen viele Rätsel der modernen Kosmologie lösen könnten. 

Abb.: Die Verteilung des Materie­gases 1,5 Milliarden Jahre nach dem Start der...
Abb.: Die Verteilung des Materie­gases 1,5 Milliarden Jahre nach dem Start der Simulation. Je heller die Farbe, desto höher ist die Dichte des Gases. Die hell­blauen Punkte zeigen junge Sterne. (Bild: AG Kroupa, U. Bonn)

Kosmologen gehen heute davon aus, dass die Materie nach dem Urknall nicht ganz gleichmäßig verteilt war. Die dichteren Stellen zogen aufgrund ihrer stärkeren Gravitations­kräfte immer mehr Materie aus ihrer Umgebung an. Im Laufe von mehreren Milliarden Jahren bildeten sich aus diesen Ansammlungen aus Staub und Gas schließlich die Galaxien, die wir heute sehen. Eine wichtige Zutat dieser Theorie ist die dunkle Materie. Sie soll einerseits für die anfängliche Ungleich­verteilung verantwortlich sein, die zur Zusammen­ballung der Gaswolken führte. Außerdem erklärt sie einige rätsel­hafte Beobachtungen. So bewegen sich Sterne in rotierenden Galaxien häufig so schnell, dass sie eigentlich aus ihnen heraustreiben sollten. Es scheint also in den Galaxien eine zusätzliche Gravi­tations­quelle zu geben, die das verhindert – eine Art „Sternen-Kitt“, der mit Teleskopen nicht zu sehen ist: die Dunkle Materie.

Ein direkter Nachweis für ihre Existenz steht aber noch aus. „Eventuell verhalten sich die Gravitations­kräfte selbst einfach anders als bislang gedacht“, erklärt Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn und dem Astro­nomischen Institut der Karls-Universität in Prag. Diese Theorie trägt das Kürzel MOND – MOdi­fizierte Newtonsche Dynamik; sie wurde vom israelischen Physiker Mordehai Milgrom entdeckt. Nach ihr gehorcht die Anziehung zwischen zwei Massen nur bis zu einem bestimmten Punkt den Newtonschen Gesetzen. Bei sehr kleinen Beschleu­nigungen, wie sie in Galaxien vorherrschen, wird sie dagegen erheblich stärker. Daher reißen Galaxien durch ihre Dreh­geschwindigkeit auch nicht auseinander.

„Wir haben nun in Zusammenarbeit mit Benoit Famaey in Straßburg erstmals simuliert, ob sich in einem MOND-Universum Galaxien bilden würden und wenn ja, welche“, sagt Kroupas Doktorand Nils Wittenburg. Dazu nutzte er ein Computer­programm für die komplexen Gravitations­berechnungen, das in Kroupas Gruppe entwickelt wurde. Denn die Anziehungs­kraft eines Körpers hängt bei MOND nicht nur von seiner eigenen Masse ab, sondern auch davon, ob sich andere Objekte in seiner Nähe befinden. Mit dieser Software simulierten die Wissen­schaftler dann – ausgehend von einer Gaswolke einige hunderttausend Jahre nach dem Urknall – die Entstehung von Sternen und Galaxien. „Unsere Ergebnisse sind in vielen Aspekten bemerkens­wert nahe zu dem, was wir mit Teleskopen wirklich beobachten“, erläutert Kroupa. So folgen die Verteilung und Geschwin­digkeit der Sterne in den computer­generierten Galaxien demselben Muster, das auch am Nachthimmel zu sehen ist. „In unserer Simulation bildeten sich zudem vor allem rotierende Scheiben-Galaxien wie die Milchstraße und fast alle anderen großen Galaxien, die wir kennen“, sagt der Wissenschaftler. „In Dunkle-Materie-Simulationen entstehen dagegen überwiegend Galaxien ohne ausgeprägte Materie-Scheiben – eine Diskrepanz zu den Beobach­tungen, die schwer zu erklären ist.“

Berechnungen, die von der Existenz dunkler Materie ausgehen, seien zudem sehr empfindlich gegenüber Änderungen bestimmter Parameter – etwa der Entstehungs­häufigkeit von Supernovae und deren Auswirkung auf die Materie­verteilung in Galaxien. In der MOND-Simu­lation spielten diese Faktoren dagegen kaum eine Rolle. Allerdings stimmen auch die neuen Ergebnisse aus Bonn, Prag und Straßburg nicht in allen Punkten mit der Realität überein. „Unsere Simulation ist nur ein erster Schritt“, betont Kroupa. So haben die Wissen­schaftler bislang nur sehr einfache Annahmen getroffen, was die ursprüngliche Verteilung der Materie und die Bedingungen im jungen Universum angeht. „Wir müssen die Berechnungen nun wiederholen und dabei auch komplexere Einfluss­faktoren einbeziehen. Dann werden wir sehen, ob die MOND-Theorie die Realität tatsächlich erklärt.“

U. Bonn / JOL

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