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Eine Illustration der kollidierenden Galaxien von MACS J0018.5, wobei die dunkle Materie (blau) an der normalen Materie (orange) vorbeirennt (Bildnachweis: W.M. Keck Observatory/Adam Makarenko)

Bei der Beobachtung einer fernen und chaotischen Kollision zwischen Galaxienhaufen haben Astronomen entdeckt, dass die dunkle Materie, der geheimnisvollste „Stoff“ im Universum, wie ein kosmisches Phantom durch die Trümmer hindurchging.

Die dunkle Materie wurde in den kollidierenden Galaxienhaufen entdeckt, wo sie von der herkömmlichen „normalen“ Materie, die aus Sternen, Planeten, Monden und allem, was wir um uns herum sehen, besteht, davonrast. Die Galaxienhaufen, die in dieser Untersuchung „geisterten“, sind Teil eines Komplexes von Tausenden von Galaxien, die zusammen als MACS J0018.5+1626 bekannt sind und sich rund 5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt befinden. Galaxienhaufen wie MACS J0018.5+1626 stellen die größten Strukturen im Universum dar.

Die einzelnen Galaxien der kollidierenden Galaxienhaufen blieben von dieser kosmischen Massenkarambolage aufgrund des riesigen Raums zwischen ihnen verschont, aber der Gehalt an dunkler Materie in diesen Galaxien wurde durch den Vorfall sogar noch stärker in Mitleidenschaft gezogen.

Um sich vorzustellen, wie diese Kollision aussah, schlug die Hauptautorin der Studie, Emily Silich, Astrophysikerin am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, vor, sich zwei mit Sand beladene Kipplaster vorzustellen, die zusammenstoßen.

„Die dunkle Materie ist wie der Sand und fliegt voraus“, sagte Silich in einer Erklärung.

Wissenschaftler haben schon früher festgestellt, dass dunkle Materie bei ähnlichen Kollisionen der normalen Materie vorausgeeilt ist, aber diese neue Untersuchung, für die Daten der NASA-Weltraumteleskope Hubble und Chandra verwendet wurden, ist das erste Mal, dass Forscher die „Entkopplung“ der Geschwindigkeit von dunkler Materie und „normaler“ Materie direkt untersuchen konnten.

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Den Geist aufgeben. Wie hat die dunkle Materie der gewöhnlichen Materie den Laufpass gegeben?

Das Problem der dunklen Materie besteht darin, dass sie bei der Wechselwirkung mit Licht, die sie fast unsichtbar macht, und mit gewöhnlicher Materie frustrierend „asozial“ ist.

Diese fehlende Wechselwirkung (oder die Tatsache, dass die Wechselwirkungen zu schwach sind, um sie zu sehen) veranlasst die Wissenschaftler zu der Annahme, dass die dunkle Materie nicht aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen kann, den baryonischen Teilchen, aus denen die Atome bestehen, aus denen Sterne, Planeten, Monde und alles andere, was wir um uns herum sehen, aufgebaut sind. Das liegt daran, dass diese Baryonen miteinander und mit Licht wechselwirken.

Damit klingt die dunkle Materie vielleicht wie ein kosmisches Phantom, und man fragt sich, woher wir wissen können, dass sie überhaupt existiert. Nun, dunkle Materie interagiert mit der Schwerkraft, und dieser Einfluss kann sich auf baryonische Materie und Licht in einer Weise auswirken, die wir nachweisen können.

So wissen Wissenschaftler, dass Galaxien von riesigen Halos aus dunkler Materie umgeben sind, deren Gravitationseinfluss sie daran hindert, sich aufzuspalten. Auf diese Weise haben sie auch festgestellt, dass die dunkle Materie trotz ihrer scheinbaren Substanzlosigkeit 85 % der Materie im Universum ausmacht.

Ein zusammengesetztes Bild des Bullet Cluster, eines viel untersuchten Paares von Galaxienhaufen, die frontal zusammengestoßen sind. Der eine Galaxienhaufen ist durch den anderen hindurchgegangen, wie eine Kugel durch einen Apfel, und man nimmt an, dass es deutliche Anzeichen für dunkle Materie (blau) gibt, die von heißen Gasen (rosa) getrennt ist. (Bildnachweis: Röntgenbild: NASA/ CXC/ CfA/ M.Markevitch, Optische Karte und Lensing-Karte: NASA/STScI, Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe, Linsenkarte: ESO/WFI)

Das erste Licht des Universums ist eine kosmische Radarkanone

Die vom Team verwendete „Radarkanone“ ist ein Phänomen, das als „Sunyaev-Zel’dovich (SZ)-Effekt“ bezeichnet wird. Dieser tritt auf, wenn Photonen, die das erste Licht im Universum, den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), bilden, von Elektronen gestreut werden, die nicht an Atome in heißem ionisiertem Gas gebunden sind, während sich dieses Gas in Richtung Erde bewegt.

Dadurch erfahren die Photonen eine Dopplerverschiebung, eine Änderung der Frequenz und Wellenlänge einer Welle, je nachdem, ob sie sich auf einen Beobachter zu oder von ihm weg bewegt. Dies führt zu einer Veränderung der Helligkeit des CMB-Lichts, die proportional zur Geschwindigkeit ist, mit der sich die streuenden Elektronen bewegen. Das bedeutet, dass der SZ-Effekt genutzt werden kann, um die Geschwindigkeit zu messen, mit der heißes Gas erzeugt wird, und damit die Geschwindigkeit, mit der sich normale Materie in MACS J0018.5+1626 bewegt.

Das Team nutzte dann das Keck-Observatorium, um die Geschwindigkeit der Massenkonzentration von Galaxien in den Haufen zu messen. Da der größte Teil dieser Masse auf die dunkle Materie entfällt, verhalten sich diese und die Galaxien als Ganzes während der Kollision ähnlich. Dies verriet den Forschern also stellvertretend die Geschwindigkeit, mit der sich die dunkle Materie bewegt.

Dies zeigte dem Team auch etwas Merkwürdiges an MACS J0018.5+1626: Die dunkle Materie und die gewöhnliche Materie scheinen sich in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen.

„Wir hatten diesen kompletten Oddball mit Geschwindigkeiten in entgegengesetzten Richtungen, und zuerst dachten wir, es könnte ein Problem mit unseren Daten sein. Selbst unsere Kollegen, die Galaxienhaufen simulieren, wussten nicht, was los war“, erklärt Sayers. „Und dann kam Emily ins Spiel und hat alles entwirrt.“

Kosmische Unfallrekonstruktion

Um das Rätsel des Zusammenstoßes von MACS J0018.5+1626 zu lösen, wandte sich Silich den Daten von Chandra zu, die die Temperatur des heißen Gases der Verschmelzung und seine Position enthüllten. Diese Untersuchungen ergaben auch, wie stark dieses Gas durch den Kollisionsprozess „geschockt“ worden war.

„Diese Haufenkollisionen sind die energiereichsten Phänomene seit dem Urknall“, sagt Silich. „Chandra misst die extremen Temperaturen des Gases und gibt uns Aufschluss über das Alter der Verschmelzung und darüber, wie kürzlich die Cluster kollidiert sind.“

Künstlerische Illustration des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA in der Erdumlaufbahn. (Bildnachweis: NASA)

Das Team hat dann die dunkle Materie von MACS J0018.5+1626 kartiert, indem es die Auswirkungen ihrer Masse auf das Gefüge der Raumzeit und damit auf das Licht von Hintergrundquellen, das so genannte „Gravitationslinseneffekt“, nutzte.

Von hier aus konnten sie die Kollision der Galaxienhaufen simulieren, eine Art Rekonstruktion des kosmischen Unfalls. Anschließend kombinierten sie diese Simulation mit einer Vielzahl von Teleskopdaten, um das Entwicklungsstadium von MACS J0018.5+1626 und die Geometrie der kosmischen Kollision zu bestimmen. Dabei stellte sich heraus, dass die Galaxienhaufen kurz vor ihrer Kollision mit einer Geschwindigkeit von etwa 11 Millionen Stundenkilometern aufeinander zu rasten – etwa 1 % der Lichtgeschwindigkeit!

Warum scheinen sich die dunkle Materie und die normale Materie in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen? Das Team stellte fest, dass dies auf die Ausrichtung des Zusammenstoßes und auf die Trennung der beiden Materieformen zurückzuführen ist.

„Wir haben lange gebraucht, um alle Puzzleteile zusammenzusetzen, aber jetzt wissen wir endlich, was vor sich geht“, so Sayers abschließend. „Wir hoffen, dass dies zu einer ganz neuen Art und Weise führt, die dunkle Materie in Haufen zu untersuchen.“

Auch wenn diese Ergebnisse nicht viel Neues über die dunkle Materie enthüllen, hofft das Team, dass ähnliche Studien, die folgen könnten, allmählich dazu beitragen könnten, Licht in dieses Geheimnis zu bringen, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten verwirrt.

Die Studie des Teams wurde letzten Monat in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.