Eine Illustration zeigt einen Pulsar in einer Wolke aus dunkler Materie.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Dunkle Materie, die weithin als der geheimnisvollste Stoff des Universums bekannt ist, ist auf der Erde seltener als Gold – und das, obwohl die dunkle Materie die „normale Materie“ in einem erstaunlichen Verhältnis von fünf zu eins überwiegt.
Die Entdeckung ist das Verdienst von Wissenschaftlern, die einen neuen Weg zur Kartierung der dunklen Materie vorschlagen, indem sie das „Wackeln“ der Milchstraße nutzen. Dieses Wackeln ist auf den Einfluss der Satellitengalaxien der Milchstraße, wie der Großen Magellanschen Wolke (LMC), und schnell rotierender Neutronensterne, sogenannter Pulsare, zurückzuführen. Faszinierenderweise wirken Pulsare im Kosmos wie „kosmische Leuchttürme“, die Lichtstrahlen über weite Entfernungen hinweg aussenden.
In früheren Arbeiten des Teams wurden diese extremen Sterne, wenn sie von stellaren Begleitern in Systemen umkreist werden, die „binäre Pulsare“ genannt werden, als Sonden für dunkle Materie verwendet. Die neuen Forschungsergebnisse der Wissenschaftler deuten jedoch darauf hin, dass auch einsame Pulsare für eine solche Untersuchung genutzt werden könnten.
„Als wir 2021 mit dieser Arbeit begannen und letztes Jahr die Folgepublikation veröffentlichten, bestand unsere Stichprobe aus Paaren von Millisekunden-Pulsaren – binären Millisekunden-Pulsaren“, sagte Sukanya Chakrabarti von der University of Alabama in Huntsville (UAH) in einer Erklärung. „Die meisten Pulsare treten jedoch nicht in Paaren auf. Die meisten von ihnen sind Einzelgänger. In dieser neuen Arbeit zeigen wir, wie wir die Anzahl der Pulsare effektiv verdoppeln können, um die dunkle Materie in der Galaxie einzuschränken, indem wir rigoros einsame Pulsare zur Messung der galaktischen Beschleunigungen verwenden“, so Chakrabarti.
Wenn mehr Neutronensterndaten gesammelt werden, könnte die Messung der Gravitationsbeschleunigung von binären Pulsaren und ihren einzelnen Gegenstücken ein Licht auf das Gravitationsfeld der Milchstraße und damit auf die Form und Verteilung der dunklen Materie in unserer Galaxie werfen.
„Weil es sich um eine größere Stichprobe handelt, haben wir jetzt einen Durchbruch erzielt“, sagte Chakrabarti. „Das Team fand heraus, dass es weniger als 2,2 Pfund (1 Kilogramm) dunkle Materie in einem Volumen gibt, das dem der gesamten Erde entspricht. „Wenn man das mit Millionen Kilogramm Gold vergleicht, die jedes Jahr produziert werden, kann man sehen, dass dunkle Materie wertvoller ist als Gold!“ sagte Chakrabarti.
Inhaltsübersicht
Kleber aus dunkler Materie und wackelige Galaxien
Dunkle Materie, die etwa 85 % der gesamten Materie im Universum ausmacht, ist für Wissenschaftler ein problematisches Phänomen, da sie nicht mit Licht wechselwirkt – oder, falls doch, ist diese Wechselwirkung zu schwach, um mit der derzeitigen Technologie entdeckt zu werden.
Das sagt den Forschern, dass die dunkle Materie nicht aus Atomen bestehen kann, wie die gewöhnliche Materie, weil die Teilchen, aus denen Atome bestehen – Elektronen, Protonen und Neutronen – mit Licht interagieren.
(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Die einzige Möglichkeit, um herauszufinden, ob dunkle Materie überhaupt existiert, ist ihre Wechselwirkung mit der Schwerkraft und der Einfluss, den diese Wechselwirkung auf Licht und alltägliche Materie hat. Dieser Einfluss ist in der Tat von entscheidender Bedeutung. Wären die Galaxien nicht voll von unsichtbarer dunkler Materie, würde der Gravitationseinfluss ihrer „Alltagsmaterie“ – Sterne, Planeten, Staubwolken usw. – nicht ausreichen, um sie daran zu hindern, auseinanderzufliegen, wenn sie sich drehen. Man geht davon aus, dass sich der Gehalt an dunkler Materie in den Zentren der Galaxien stark konzentriert, aber es wird auch angenommen, dass sich die Substanz ausdehnt und eine kugelförmige Hülle bildet, die weit über die Grenzen der sichtbaren Materie einer Galaxie hinausgeht, was erklärt, warum dunkle Materie in einer durchschnittlichen Kugel von der Größe der Erde weniger häufig vorkommt als Gold hier auf unserem Planeten – und dennoch die Anzahl der Atome aller Art bei weitem übersteigt. Der Weltraum ist riesig, und die dunkle Materie ist viel weiter über das Universum verteilt als Gold oder andere Elemente.
Eine künstlerische Darstellung des Halos aus dunkler Materie (blau), von dem man annimmt, dass er die Milchstraßengalaxie umgibt. (Bildnachweis: ESO/L. Calçada)
Chakrabarti erklärte, dass sie in ihrer früheren Arbeit mit Hilfe von Computersimulationen gezeigt hat, dass die Sterne in unserer Galaxie bei der Wechselwirkung zwischen der Milchstraße und ihren Satellitengalaxien eine sehr unterschiedliche Anziehungskraft verspüren, je nachdem, ob sie sich oberhalb oder unterhalb der so genannten „galaktischen Scheibe“ befinden. Die LMC ist beispielsweise einer der größeren zwerggalaktischen Satelliten der Milchstraße. Wenn sie unsere eigene Galaxie umkreist und nahe an der Milchstraße vorbeizieht, kann sie einen Teil der Masse der galaktischen Scheibe der Milchstraße an sich ziehen, was zu einer schiefen Galaxie mit mehr Masse auf einer Seite führt. Dies führt zu einer schiefen Galaxie mit mehr Masse auf einer Seite, so Chakrabarti.
„Es ist fast so, als würde die Galaxie wackeln – so wie ein Kleinkind läuft, das noch nicht ganz im Gleichgewicht ist“, fuhr sie fort. „Diese Asymmetrie oder dieser unverhältnismäßige Effekt in den Pulsarbeschleunigungen, der durch die Anziehungskraft der LMC entsteht, ist also etwas, das wir erwartet haben zu sehen. „Hier, mit der größeren Stichprobe von Pulsarbeschleunigungen, sind wir tatsächlich in der Lage, diesen Effekt zum ersten Mal zu messen.“
Kosmische Leuchttürme
Pulsare, wie alle Neutronensterne, entstehen, wenn Sterne, die mindestens achtmal so massiv sind wie die Sonne, ihren Brennstoffvorrat für die Kernfusion aufgebraucht haben und sich nicht mehr gegen die nach innen gerichtete Schwerkraft stemmen können.
Wenn die Kerne dieser Sterne zusammenbrechen, werden die äußeren Schichten der Sterne und der größte Teil ihrer Masse in gewaltigen Kernkollaps-Supernovas weggesprengt.
Dabei bleibt ein stellarer Überrest mit der ein- bis zweifachen Masse der Sonne zurück, der auf eine Breite von etwa 20 Kilometern verdichtet ist. Das bedeutet, dass Neutronensterne aus der dichtesten Materie des bekannten Universums bestehen. Würde man einen Teelöffel Neutronenmaterie aufsammeln und zur Erde bringen, so würde er 10 Millionen Tonnen wiegen. Das ist so, als würde man 85.000 Blauwale auf einen Teelöffel stapeln.
Ein Teelöffel Neutronensternmaterie entspricht etwa 85.000 Blauwalen. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Die rasche Verkleinerung des Kerns der massereichen Sterne hat eine weitere Folge: Sie beschleunigt den Neutronenstern auf Rotationsraten, die bis zu 700 Umdrehungen pro Sekunde erreichen können. Man kann sich das wie das kosmische Äquivalent eines Schlittschuhläufers vorstellen, der seine Arme einzieht, um seine Drehgeschwindigkeit zu erhöhen.
Zum Glück für die Wissenschaftler machen diese schnelle Drehung und ihre präzise Frequenz Pulsare zu ausgezeichneten Zeitmessungsmechanismen.
Pulsare und andere junge Neutronensterne zeichnen sich auch dadurch aus, dass sie einige der stärksten Magnetfelder im bekannten Universum besitzen.
„Das unglaublich starke Magnetfeld der Pulsare verdreht und wickelt sich um sich selbst, wenn sich der Pulsar dreht, was zu einer Art Reibung führt, wie wenn man die Hände aneinander reibt“, sagte Tom Donlon, Mitglied des Teams und Postdoktorand an der UAH, in der Erklärung. „Pulsare stoßen auch Teilchen mit sehr hoher Geschwindigkeit aus, die Energie abstrahlen. Diese Effekte [bekannt als magnetische Bremsung] führen dazu, dass sich der Pulsar mit der Zeit immer langsamer dreht.“
Eine Illustration zeigt einen Magnetar, der von grünen Magnetfeldlinien umgeben ist (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Das Magnetfeld eines Pulsars fängt ausgestoßene Teilchen ein und schleudert sie dann weg, wenn der Neutronenstern rotiert. Diese Teilchen, die sich als „stellarer Wind“ ausbreiten, tragen auch Drehimpuls mit sich, der die Drehung des Pulsars verlangsamt oder ihn zum Abdrehen bringt. Der Spin-Down-Prozess ist der Schlüssel für die Forschung des Teams.
„Wegen dieses Spin-Downs waren wir anfangs gezwungen, nur Pulsare in Doppelsternsystemen zur Berechnung der Beschleunigungen zu verwenden, da die Bahnen nicht von der magnetischen Bremsung beeinflusst werden“, so Donlon. „Mit unserer neuen Technik sind wir in der Lage, das Ausmaß der magnetischen Abbremsung mit hoher Genauigkeit abzuschätzen, was es uns ermöglicht, auch einzelne Pulsare zur Ermittlung der Beschleunigungen zu verwenden.“
Mit dieser Technik und den überschüssigen Daten, die sie liefert, sollten die Forscher in der Lage sein, besser zu bestimmen, wie die dunkle Materie in unserer Galaxie verteilt ist, wenn mehr Daten gesammelt werden.
„Im Wesentlichen ermöglichen diese neuen Techniken jetzt Messungen von sehr kleinen Beschleunigungen, die durch die Anziehungskraft der dunklen Materie in der Galaxie entstehen“, sagte Chakrabarti. „In der Astronomie sind wir schon seit einiger Zeit in der Lage, die großen Beschleunigungen zu messen, die von schwarzen Löchern um sichtbare Sterne und Sterne in der Nähe des galaktischen Zentrums erzeugt werden. „Wir können nun über die Messung großer Beschleunigungen hinausgehen und winzige Beschleunigungen von etwa 10 Zentimetern pro Sekunde pro Jahrzehnt messen – 10 Zentimeter pro Sekunde ist die Geschwindigkeit eines krabbelnden Babys“.
