Der Draco-Zwerg ist eine schwache, sternarme, aber an dunkler Materie reiche Galaxie. Hier sehen wir, wie Hubble einige seiner Sterne heranzoomt.(Bildnachweis: NASA/ESA/Eduardo Vitral, Roeland van der Marel, Sangmo Tony Sohn, Joseph DePasquale (STScI)/DSS)
Das Hubble-Weltraumteleskop hat gezeigt, dass die dunkle Materie im Kern einer nahen Zwerggalaxie konzentriert ist, eine Erkenntnis, die das Standardmodell der Kosmologie in Frage stellt. Dieses Modell sagt die dunkle Materie grundsätzlich als „kalt“ voraus, doch jüngste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Substanz „warm“ ist. Diese neuen Beobachtungen sind jedoch auf der Seite des Standardmodells.
Dunkle Materie ist die unsichtbare Substanz, die angeblich 85 % der Masse des Universums ausmacht, aber niemand weiß, was dunkle Materie eigentlich ist oder wie sie sich genau verhält. Unsere beste Vorstellung ist, dass sie „kalt“ ist, was mit anderen Worten bedeutet, dass sie aus einem energiearmen Teilchen besteht, das nicht hin und her schwirrt, sondern sich eher langsam bewegt und in der Lage ist, sich zu verklumpen und riesige Halos zu bilden, in denen Galaxien wachsen. Das Konzept der kalten dunklen Materie (CDM) und ihr Einfluss auf die Strukturbildung im Universum ist ein entscheidender Teil unseres derzeitigen Standardmodells der Kosmologie. Dieser Teil ist als Lambda-CDM bekannt (das Lambda steht für die dunkle Energie).
Nach dem Paradigma der kalten dunklen Materie sollte sich die dunkle Materie vor allem im Kern eines Halos aus dunkler Materie anhäufen, so dass die dunkle Materie im Kern einer Galaxie, die innerhalb dieses Halos wächst, am dichtesten sein sollte. Die Astronomen nennen dies die „Spitze“ der dunklen Materie, weil sie in einem Diagramm der Dichte der dunklen Materie im Verhältnis zu ihrem Radius vom Zentrum einer Galaxie dargestellt ist.
Astronomen waren jedoch verblüfft über einige kürzlich gemachte Beobachtungen von Zwerggalaxien, die darauf hindeuteten, dass sich die dunkle Materie anders verhalten könnte, als sie dachten. Anstatt sich wie kalte dunkle Materie zu verhalten und sich im Kern des Halos der dunklen Materie am dichtesten zu konzentrieren, deuten diese Beobachtungen darauf hin, dass die dunkle Materie stattdessen gleichmäßiger in einer Galaxie verteilt sein könnte. Dies wäre ein Zeichen dafür, dass die dunkle Materie „warm“ ist oder genug Energie hat, um nicht so stark zu verklumpen. Sollte dies zutreffen, hätte dies erhebliche Auswirkungen auf unsere kosmologischen Modelle, die davon ausgehen, dass dunkle Materie auf bestimmte Weise verklumpen kann.
Jetzt haben Astronomen unter der Leitung von Eduardo Vitral vom Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, den Beweis dafür angetreten.
Zwerggalaxien eignen sich am besten zur Erforschung der dunklen Materie, da sie im Verhältnis zu allen anderen Galaxientypen die größte Menge an dunkler Materie aufweisen. Die Zwerggalaxie Draco, die für diese Studie ausgewählt wurde, umkreist unsere Milchstraße in einer Entfernung von 250.000 Lichtjahren von der Erde. In den Archiven von Hubble befinden sich Daten, die die Bewegungen der Sterne in der Draco-Zwerggalaxie über einen Zeitraum von 18 Jahren, zwischen 2004 und 2022, beschreiben. Anhand dieser Bewegungen konnte das Team von Vitral eine genaue Messung des Gravitationsfeldes des Draco-Zwergs und damit die Verteilung seiner Masse, einschließlich des Anteils der dunklen Materie, berechnen.
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Durch die Kombination der „Eigenbewegungen“ der Sterne – d. h. ihrer Bewegung über den Himmel – mit ihren radialen Bewegungen auf uns zu oder von uns weg, die als Blau- oder Rotverschiebung des Lichts nachweisbar sind, konnte das Team von Vitral die Bewegungen der Sterne im Draco-Zwerg in 3D verfolgen.
„Bei der Messung von Eigenbewegungen notiert man die Position eines Sterns zu einem bestimmten Zeitpunkt und misst dann viele Jahre später die Position desselben Sterns. Man misst die Verschiebung, um festzustellen, wie sehr er sich bewegt hat“, so Teammitglied Sangmo Tony Sohn vom STScI in einer Erklärung. „Je länger man bei dieser Art von Beobachtung wartet, desto besser kann man die Verschiebung des Sterns messen.“
Die Langlebigkeit von Hubble im Weltraum ist hier sicherlich ein Vorteil, ebenso wie seine hohe Auflösung von seinem Aussichtspunkt hoch über der turbulenten Atmosphäre der Erde. Die Eigenbewegung der Sterne des Draco-Zwergs im Laufe von 18 Jahren in einer Entfernung von einer Viertelmillion Lichtjahren ist winzig, sie entspricht weniger als der Breite eines Golfballs auf dem Mond, von der Erde aus gesehen. Die Ergebnisse von Hubble sind daher die detailliertesten Messungen der Sternbewegungen in einer anderen Galaxie, die jemals gemacht wurden.
Anhand dieser Sternbewegungen konnte das Team von Vitral feststellen, dass die Gesamtmasse des Halos aus dunkler Materie des Draco-Zwergs bis zu einem Radius von fast 3.000 Lichtjahren das 120-Millionenfache der Masse unserer Sonne beträgt. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse stark darauf hin, dass das Dichteprofil der dunklen Materie des Draco-Zwergs einen Scheitelpunkt im Kern aufweist und die dunkle Materie daher wahrscheinlich kalt ist. Die Forscher schreiben in ihrem Forschungspapier: „Die Ergebnisse verringern die Spannungen rund um das ‚Cusp-Core‘-Problem und verleihen der Standard-Lambda-CDM-Kosmologie weitere Glaubwürdigkeit.“
„Unsere Modelle stimmen eher mit einer höckerartigen Struktur überein, was mit kosmologischen Modellen übereinstimmt“, sagte Vitral in der Erklärung. „Wir können zwar nicht mit Sicherheit sagen, dass alle Galaxien eine höckerartige Verteilung der dunklen Materie aufweisen, aber es ist aufregend, so gut gemessene Daten zu haben, die alles übertreffen, was wir bisher hatten.“
Der nächste Schritt besteht daher darin, die Analyse für andere Zwerggalaxien zu wiederholen, und Vitrals Team arbeitet derzeit an Studien zu den Zwerggalaxien Sculptor und Ursa Minor, die ebenfalls unsere Milchstraße umkreisen.
Wenn sich die Ergebnisse in diesen und anderen Galaxien wiederholen lassen, würde dies einige Kandidaten für dunkle Materie wie sterile Neutrinos und Gravitinos ausschließen, wobei es sich bei letzteren um ein hypothetisches Teilchen handelt, das von der Theorie der Supersymmetrie als massiver Partner des ebenfalls hypothetischen (aber wahrscheinlich realen) Gravitons vorhergesagt wird. Die Ergebnisse stärken daher die möglichen Modelle der kalten dunklen Materie, vor allem der schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs), der primordialen schwarzen Löcher und der Axionen.
Die Ergebnisse des Draco-Zwergs wurden am 11. Juli in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
