Ein Bild von Stephans Quintett, aufgenommen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI)
Wenn das James Webb Weltraumteleskop (JWST) winzige und helle Galaxien im frühen Universum untersucht, könnte es in der Lage sein, ein Licht auf die dunkle Materie zu werfen – den geheimnisvollsten Stoff des Universums.
Zu diesem Schluss kommen Wissenschaftler der University of California, die eine Simulation des Kosmos durchgeführt haben, die die Entstehung kleiner Galaxien bis kurz nach dem Urknall zurückverfolgt. Dies scheint die Voraussetzungen für das JWST verbessert zu haben.
Kleine Galaxien, auch Zwerggalaxien genannt, sind über den gesamten Kosmos verteilt, und Wissenschaftler haben vermutet, dass sie zu den frühesten Galaxien gehören, die sich gebildet haben. Das bedeutet, dass Zwerggalaxien oft als Schlüssel zur Erforschung des Ursprungs und der Entwicklung des Universums angesehen werden.
Das Problem ist jedoch, dass diese Galaxien nicht immer mit dem übereinstimmen, was Astronomen zu beobachten erwarten. Einige drehen sich beispielsweise schneller als erwartet, und andere sind weniger dicht, als sie laut Simulationen sein sollten. An dieser Stelle kommt die dunkle Materie ins Spiel.
Diese rätselhaften Widersprüche könnten nach Ansicht der Wissenschaftler darauf zurückzuführen sein, dass die Forscher in ihren Simulationen die Kombination von Gas und dunkler Materie nicht berücksichtigt haben.
Die neue Simulation des Teams berücksichtigte diese Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Gas und fand heraus, dass frühe Galaxien kleiner und viel heller sind als in Simulationen, die dieses Zusammenspiel vernachlässigen. Die Wissenschaftler sahen auch, dass die Galaxien schneller wuchsen, als andere Teams dies beobachtet hatten.
Das UCLA-Team ist daher der Meinung, dass die Astronomen mit dem JWST und anderen Teleskopen nach kleinen, frühen Galaxien suchen sollten, die viel heller sind als erwartet. Sollten diese Galaxien nicht auftauchen, dann könnte tatsächlich etwas mit unseren Theorien zur dunklen Materie nicht stimmen.
Im Dunkeln über dunkle Materie
Die dunkle Materie bereitet den Wissenschaftlern deshalb so viel Kopfzerbrechen, weil sie nicht mit Licht interagiert und somit für uns praktisch unsichtbar ist.
Die Materie, aus der Sterne, Gase, Planeten, unsere Körper, die Katze von nebenan und so ziemlich alles, was du um dich herum siehst, besteht aus Atomen, die aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen. Diese werden „Baryonen“ genannt, und sie interagieren mit Licht. Daher erkannten die Wissenschaftler, dass die dunkle Materie aus etwas anderem bestehen muss – etwas „Nicht-Baryonischem“.
All dies bedeutet, dass die Wissenschaftler trotz der Tatsache, dass die dunkle Materie etwa 85 % der Masse im Universum ausmacht, sie nicht direkt nachweisen können und keine konkrete Vorstellung davon haben, woraus sie besteht.
Eine künstlerische Darstellung des Halos aus dunkler Materie (blau), von dem man annimmt, dass er die Milchstraßengalaxie umgibt. (Bildnachweis: ESO/L. Calçada)
Da dunkle Materie Masse hat, interagiert sie mit der Schwerkraft. Das bedeutet, dass man auf ihr Vorhandensein schließen kann, indem man die Auswirkungen dieser Gravitationswirkungen auf die baryonische Materie und das Licht betrachtet.
Das gesamte Konzept der dunklen Materie wurde ursprünglich postuliert, weil sich Galaxien so schnell drehen, dass der Gravitationseinfluss ihrer baryonischen Materie allein sie nicht vor dem Auseinanderfliegen bewahren konnte. Es ist der Einfluss der unsichtbaren dunklen Materie, der die Galaxien gravitativ „zusammenklebt“, so die Wissenschaftler.
Wissenschaftler gehen außerdem davon aus, dass die meisten Galaxien von riesigen Halos aus dunkler Materie umgeben sind, die weit über ihren sichtbaren Gehalt an Sternen, Gas und Staub hinausgehen. Sie glauben auch, dass diese Halos bei der Entstehung und Entwicklung der Galaxien eine wesentliche Rolle gespielt haben könnten.
Im derzeit favorisierten Modell der universellen Entwicklung, dem „kosmologischen Standardmodell“, gelang es dem Gravitationseinfluss dunkler Materieklumpen, die vor 13 Milliarden Jahren im Universum existierten, baryonische Materie aus normalen alten Atomen anzuziehen.
Sobald diese „gewöhnliche Materie“ massiv genug wurde, kollabierte sie und ließ die ersten Sterne entstehen. Zusammen mit der dunklen Materie zogen diese ersten Sterne weitere baryonische Materie an, wodurch die Galaxien um sie herum entstanden.
Das Standardmodell weist eine Form der dunklen Materie auf, die als „kalte dunkle Materie“ bezeichnet wird, die ihren Namen nicht deshalb erhält, weil sie kühl ist, sondern weil sie sich langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt (wobei Wärme ein Maß dafür ist, wie schnell sich Teilchen bewegen). Die Ansammlung von Sternen und Galaxien im kosmologischen Standardmodell wäre ebenfalls langsam, wenn sie von kalter dunkler Materie abhängig wäre.
Baryonische Materie in Form von Wasserstoff- und Heliumgas aus dem Urknall wäre in diesem frühen Stadium der Geschichte des Universums mit Überschallgeschwindigkeit an diesen sich langsam bewegenden Klumpen dunkler Materie vorbeigeströmt. Das heißt, bis sich die Materie schließlich verfing und sich zu Galaxien zusammenfand.
„In Modellen, die die Strömung nicht berücksichtigen, passiert genau das“, so Claire Williams, Mitglied des Teams und Doktorandin an der UCLA, in einer Erklärung. „Gas wird von der Anziehungskraft der dunklen Materie angezogen, bildet Klumpen und Knoten, die so dicht sind, dass Wasserstofffusion stattfinden kann, und bildet so Sterne wie unsere Sonne.“
Williams und Kollegen fanden heraus, dass, wenn dieser so genannte Strömungseffekt zwischen dunkler und gewöhnlicher Materie in ihrer Simulation berücksichtigt wird, die Teil des treffend benannten „Supersonic Project“ ist, Gas weit entfernt von dunkler Materie und wachsenden Galaxien landete. Dadurch wurde die unmittelbare Bildung von Sternen verhindert.
Millionen von Jahren danach fiel das Gas schließlich in die Galaxien zurück und löste eine intensive Welle der Sternentstehung aus, die als „Starburst“ bezeichnet wird und Galaxien entstehen ließ, die viel mehr junge, heiße Sterne haben als normale kleine Galaxien. Eine Zeit lang hätten diese Starburst-Galaxien viel heller leuchten müssen als andere Galaxien.
„Während die Strömung die Sternentstehung in den kleinsten Galaxien unterdrückte, verstärkte sie auch die Sternentstehung in Zwerggalaxien, wodurch diese die nicht strömenden Bereiche des Universums überstrahlten“, erklärte Williams. „Wir sagen voraus, dass das JWST-Teleskop in der Lage sein wird, Regionen des Universums zu finden, in denen Galaxien heller sind, die durch diese Geschwindigkeit verstärkt werden.
„Die Tatsache, dass sie so hell sein sollten, könnte es dem Teleskop leichter machen, diese kleinen Galaxien zu entdecken, die normalerweise nur 375 Millionen Jahre nach dem Urknall extrem schwer zu entdecken sind.“
Die Tatsache, dass die dunkle Materie praktisch unsichtbar ist, bedeutet, dass diese kleinen, hellen Galaxien im frühen Universum einen guten Proxy darstellen, um das Konzept der kalten dunklen Materie zu testen. Gelingt es nicht, sie zu entdecken, müssen die Wissenschaftler möglicherweise auf andere Theorien zurückgreifen.
„Die Entdeckung von Flecken kleiner, heller Galaxien im frühen Universum würde bestätigen, dass wir mit dem Modell der kalten dunklen Materie auf dem richtigen Weg sind, denn nur die Geschwindigkeit zwischen zwei Arten von Materie kann die Art von Galaxie hervorbringen, nach der wir suchen“, so Smadar Naoz, Leiter des Supersonic-Teams und Professor für Physik und Astronomie an der UCLA, in der Erklärung. „Wenn sich die dunkle Materie nicht wie die kalte Standardmaterie verhält und der Strömungseffekt nicht vorhanden ist, dann werden diese hellen Zwerggalaxien nicht gefunden, und wir müssen zurück zum Zeichenbrett gehen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht,
