06.07.2018

Zwerggalaxien entlarven dunkle Materie

Neues Experiment könnte die Frage beantworten, ob der myste­riöse Sternen­kitt wirk­lich exis­tiert.

Gibt es tatsächlich dunkle Materie? Oder müssen die von Newton und Einstein auf­ge­stellten Gravi­ta­tions­gesetze modi­fi­ziert werden? Forscher der Uni Bonn und der Univer­sity of Cali­fornia haben jetzt eine hoch­wertige Simu­lation benutzt, um einen Test her­zu­stellen, mit dem sich diese bren­nenden Fragen der Astro­physik beant­worten lassen könnten. Mittel­fristig sollte sich mit Hilfe von Satel­liten­daten eine der beiden Alter­na­tiven end­gültig aus­schließen lassen. Die Wissen­schaftler haben am Computer die Materie­ver­tei­lung von Satel­liten­galaxien simu­liert – das sind kleine Zwerg­galaxien, die beispiels­weise die Milch­straße oder den Andromeda-Nebel umgeben. Dazu nutzten sie einen extrem schnellen Rechner in den Nieder­landen.

Abb.: Verteilung der dunklen Materie (oben) und die sicht­baren Sterne (unten) in der Simu­la­tion. (Bild: E. Garaldi, C. Porciani & E. Romano-Díaz, RFWU)

Die Forscher fokussierten sich dabei auf einen Zusammen­hang namens „radial accele­ra­tion rela­tion“, kurz RAR. In Galaxien bewegen sich die Sterne auf kreis­förmigen Bahnen um ein Zentrum. Sie unter­liegen also einer Beschleu­ni­gung, die sie zu einem ständigen Wechsel ihrer Rich­tung zwingt. Diese wird durch die Anzie­hungs­kraft der Materie in der Galaxie ver­ur­sacht. Wenn man nur die sicht­bare Materie zugrunde legt, müsste die Beschleu­ni­gung sehr viel geringer aus­fallen. Die RAR beschreibt das Ver­hält­nis zwischen diesem Wert und der tat­säch­lich beob­ach­teten Beschleu­ni­gung. Sie erlaubt so einen Ein­blick in die Struktur von Galaxien.

„Wir haben nun zum ersten Mal die RAR von Zwerggalaxien unter der Voraus­setzung simu­liert, dass es dunkle Materie gibt“, erklärt Cristiano Porciani von der Uni Bonn. „Dabei zeigte sich, dass diese sich im Prinzip genauso ver­halten wie große Galaxien, nur dass sie eben kleiner sind.“ Was aber, wenn es keine dunkle Materie gibt und statt­dessen die Gravi­ta­tion anders funk­tio­niert, als Newton und Einstein es sich dachten? „Arbeits­gruppen vor uns konnten zeigen, dass dann die RAR von Zwerg­galaxien stark von der Ent­fer­nung zu ihrer Mutter­galaxie abhängt, während das nicht passiert, wenn dunkle Materie exis­tiert“, erklärt Emilio Romano-Díaz von der Uni Bonn.

Damit eignen sich die Ergebnisse als Test, ob es dunkle Materie wirk­lich gibt. Eine Antwort soll die Raum­sonde Gaia liefern, die 2013 von der euro­pä­ischen Raum­fahrt­agentur ESA ins All geschickt wurde. Sie wurde konzi­piert, um Satel­liten­galaxien und Sterne der Milch­straße im Detail zu studieren. Aller­dings wird des Rätsels Lösung wohl noch Jahre auf sich warten lassen. „Mit ein­zelnen Messungen lassen sich die kleinen Unter­schiede, die wir fest­ge­stellt haben, nicht ent­decken“, erklärt der Enrico Garaldi von der Uni Bonn. „Dazu sind die Instru­mente des Satel­liten nicht genau genug.“ Wieder­holte Auf­nahmen der gleichen Sterne erlauben mit der Zeit immer genauere Aus­sagen. Über kurz oder lang sollte sich dadurch fest­stellen lassen, ob sich die Zwerg­galaxien wie in einem Uni­ver­sum mit dunkler Materie ver­halten – oder eben nicht.

Ein direkter Nachweis, dass es dunkle Materie gibt, steht trotz zahl­reicher experi­men­teller Bemü­hungen bis­lang aus. Das brachte einige Astro­nomen zu der Hypo­these, dass sich die Gravi­ta­tions­kräfte selbst möglicher­weise anders ver­halten als bislang gedacht. Gemäß dieser modi­fi­zierten Newton­schen Dynamik, kurz MOND, 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 die Gravi­ta­tion dagegen erheb­lich stärker. Daher reißen Galaxien durch ihre Dreh­geschwin­dig­keit auch nicht aus­ein­ander. Auf den myste­riösen Sternen­kitt kann die MOND-Theorie des­halb ver­zichten. Die neue Studie gibt Astro­nomen die Möglich­keit die zwei unter­schied­lichen Hypo­thesen zu über­prüfen.

RFWU / RK

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