Die bemerkenswert dichte JWST-ER1-Galaxie und ihr Einstein-Ring, wie sie vom James Webb-Weltraumteleskop im letzten Jahr aufgenommen wurden (Bildnachweis: P. van Dokkum et al., Nature Astronomy accepted, 2023)
Eine neue Analyse einer bemerkenswert massiven und dennoch kompakten Galaxie aus dem frühen Universum legt nahe, dass die dunkle Materie mit sich selbst wechselwirkt.
Die Galaxie JWST-ER1, die sich nur 3,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall gebildet hat, wurde erstmals im vergangenen Oktober auf Bildern des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA entdeckt. Mit einer Entfernung von mehr als 17 Milliarden Lichtjahren von der Erde ist JWST-ER1g das bisher am weitesten entfernte Beispiel eines perfekten „Einstein-Rings“ – eines ununterbrochenen Lichtkreises um die Galaxie, der dadurch entsteht, dass die Lichtstrahlen einer weit entfernten, unsichtbaren Galaxie aufgrund der raumvergrößernden Masse von JWST-ER1 gebogen werden.
Die kosmische Fata Morgana ist nicht nur ein hübscher Anblick, der sich aus einer glücklichen Anordnung von Galaxien ergibt; sie bietet den Physikern auch eine wertvolle Sonde für modellunabhängige Messungen der Masse, die im Radius des Rings eingeschlossen ist.
Durch die Berechnung, wie stark JWST-ER1g die Raumzeit um sich herum verformt hat, schätzte das Entdeckungsteam, dass die Galaxie etwa 650 Milliarden Sonnen wiegt, was sie zu einer für ihre Größe ungewöhnlich dichten Galaxie macht. Durch Subtraktion der sichtbaren Sternmasse von der ermittelten Gesamtmasse können die Physiker messen, wie viel der Galaxie aus dunkler Materie besteht, einer unsichtbaren Substanz, von der man annimmt, dass sie über 80 % der gesamten Materie in unserem Universum ausmacht.
Trotz jahrzehntelanger Beobachtungen und haufenweise Indizien konnte die schwer fassbare Substanz noch nicht direkt nachgewiesen werden. Bei JWST-ER1g stellte das Entdeckungsteam fest, dass die dunkle Materie nur etwa die Hälfte der Massenlücke erklärt und dass „zusätzliche Masse erforderlich zu sein scheint, um die Lensing-Ergebnisse zu erklären“, heißt es in der Entdeckungsarbeit, die im letzten Herbst veröffentlicht wurde.
„Der Wert für die Masse der dunklen Materie scheint höher zu sein als erwartet“, sagte Hai-Bo Yu, Professor für Physik und Astronomie an der University of California, Riverside (UCR) und Mitautor der neuen Studie, in einer Erklärung. „This is puzzling.“
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Durch die Übermittlung Ihrer Daten erklären Sie sich mit den Allgemeinen Geschäftsbedingungen und der Datenschutzrichtlinie einverstanden und sind mindestens 16 Jahre alt.In einer neuen Arbeit schlagen Yu und seine Kollegen vor, dass die ungewöhnlich hohe Dichte von JWST-ER1g durch eine größere Sternenpopulation als bisher angenommen erklärt werden könnte. Ein Kontraktionsmechanismus, durch den gewöhnliche Materie – das Material, aus dem Gas und Sterne bestehen – in den Halo der dunklen Materie von JWST-ER1g „kollabiert und sich verdichtet“, könnte jedoch „mehr Masse der dunklen Materie in das gleiche Volumen packen, was zu einer höheren Dichte führt“, sagte der Hauptautor der Studie, Demao Kong von der UCR, in derselben Erklärung.
Der Halo aus dunkler Materie, der im Zentrum der Galaxie am dichtesten ist, ist der Gravitationskleber, der verhindert, dass sich drehende Galaxien auseinanderfliegen. Darüber hinaus bieten Modelle, die eine bestimmte Art von dunkler Materie einbeziehen, bei der ihre Teilchen mit sich selbst interagieren, „eine hervorragende Übereinstimmung mit den Messungen von JWST-ER1“, so die neue Studie.
Wir wissen noch nicht, was dunkle Materie eigentlich ist. Beobachtungen deuten darauf hin, dass es sich um eine neue Art von Teilchen handelt, deren Vorhandensein nur aus ihren Gravitationswechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie abgeleitet werden kann. Bei der dunklen Materie könnte es sich um eine einzige Art von Teilchen handeln oder um eine komplexe Vielfalt verschiedener Arten, wie bei der normalen Materie, die vielleicht in Gegenwart zusätzlicher, bisher unbekannter Kräfte wirkt, die es nur bei der dunklen Materie gibt.
Im vergangenen Dezember leitete Yu Simulationen zur Bildung von Strukturen, die selbst wechselwirkende dunkle Materie enthalten, und kam zu dem Schluss, dass solche Selbstwechselwirkungen extrem dichte Halos aus dunkler Materie in bestimmten Galaxien sowie rätselhaft niedrige Dichten in anderen erklären könnten, die beide von der vorherrschenden Theorie der „kalten dunklen Materie“ nicht erklärt werden.
Physiker hoffen, dass das JWST sozusagen mehr Licht in die dunkle Materie bringen kann. Die beispiellosen Infrarot-Augen des Teleskops blicken weiter in die Vergangenheit als jedes andere Teleskop, und die bevorstehenden Untersuchungen von Galaxien aus der Frühzeit des Universums könnten Hinweise auf Teilchen der dunklen Materie und ihr Verhalten liefern, so Yu.
„Wir erwarten weitere Überraschungen von JWST und werden bald mehr über dunkle Materie erfahren.“
Die neue Studie wurde am 11. April in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
