„El Gordo“ einer der größten bekannten Galaxienhaufen, der seltsame Eigenschaften aufweist, die erklärt werden könnten, wenn die dunkle Materie selbst wechselwirkt (Bildnachweis: NASA, ESA, J. Jee (University of California, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University und University of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Sternwarte Leiden), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile) und K. Ng (University of California, Davis))
Es war nur eine Frage der Zeit, bis sich die künstliche Intelligenz der dunklen Materie annehmen würde. Ein neuer Deep-Learning-Algorithmus wird auf Bilder von Galaxienhaufen losgelassen, um nach den verräterischen Zeichen dieser unsichtbaren Substanz zu suchen, die seltsamerweise 85 % der gesamten Materie im Universum ausmacht.
Nach dem Standardmodell der Kosmologie ist jede Galaxie von einem Halo aus dunkler Materie umgeben. Auch Galaxienhaufen sind von riesigen Halos aus dunkler Materie durchzogen, die wir indirekt nachweisen können. Die Wissenschaftler können auch die Verteilung der dunklen Materie in einem Haufen bestimmen, indem sie die Art und Weise beobachten, wie ihr Gravitationseinfluss den Raum krümmt und somit schwache und manchmal auch starke Gravitationslinsen erzeugt. Doch trotz der riesigen Mengen an dunkler Materie im Universum weiß niemand, woraus sie besteht.
Gelegentlich können zwei Galaxienhaufen – mit Galaxien, heißem Gas und dunkler Materie – zusammenstoßen. Wenn dies geschieht, hängt der Verlauf der Kollision von der Art der dunklen Materie ab.
Alles hängt von einer Eigenschaft der dunklen Materie ab, die als ihr Wechselwirkungsquerschnitt bekannt ist, der sich auf die Grundlage bezieht, nach der die dunkle Materie eine nicht identifizierte Art von Teilchen ist. Einer der Gründe, warum die Astronomen so große Schwierigkeiten hatten, die Identität der dunklen Materie festzustellen, ist, dass sie nicht mit normaler Materie zu interagieren scheint, außer durch die Schwerkraft. Einige Modelle sagen jedoch voraus, dass Teilchen der dunklen Materie miteinander in Wechselwirkung treten können, und in welchem Ausmaß diese Wechselwirkung stattfindet, hängt vom Wirkungsquerschnitt ab.
Wenn also zwei Galaxienhaufen zusammenstoßen, hängt das Schicksal ihrer Halos aus dunkler Materie von diesem Wirkungsquerschnitt ab. Ist der Wert des Wirkungsquerschnitts hoch, werden die Teilchen in den beiden kollidierenden Halos der dunklen Materie miteinander wechselwirken und die dunkle Materie verlangsamen. Galaxien hingegen segeln weiter und kollidieren nur selten auf die Art und Weise, wie man es sich vielleicht vorstellt, da die Sterne und andere Objekte in ihnen große Zwischenräume haben. In der Zwischenzeit kollidieren riesige Wasserstoffwolken in den Haufen, werden heiß und strahlen Röntgenstrahlen aus.
Wenn der Wert des Wechselwirkungsquerschnitts hoch ist, wird sich die dunkle Materie von den Galaxien trennen und sich näher an den heißen Gaswolken verteilen.
Wenn die dunkle Materie einen kleinen Wirkungsquerschnitt hat, dann wären die dunkle Materie und die Galaxien zwar getrennt, aber nicht so weit, und die dunkle Materie befände sich zwischen den Galaxien und dem heißen Gas. Wenn der Wirkungsquerschnitt null ist, was bedeutet, dass die dunkle Materie kollisionsfrei ist, dann sollten wir erwarten, dass die Halos der dunklen Materie bei den Galaxien bleiben, da sie direkt aneinander vorbeiziehen würden, ohne überhaupt miteinander zu interagieren.
Allerdings gibt es mehrere Komplikationen. Eine davon ist, dass wir nur Momentaufnahmen von Galaxienhaufen-Kollisionen sehen können, weil sie über Zeit- und Entfernungsskalen stattfinden, die viel zu groß sind, um Fortschritte in menschlichen Zeitskalen zu erkennen. Außerdem sehen wir diese Schnappschüsse alle in verschiedenen Stadien der Kollisionen und aus verschiedenen Winkeln, so dass keine zwei Galaxienhaufenfusionen genau gleich aussehen, und es erfordert ein geschultes Auge, um aus jedem Beispiel herauszufinden, was passiert.
Eine zweite Komplikation ist der Effekt, den die Strahlungswinde von Galaxien mit aktiven schwarzen Löchern haben können. Diese Erscheinungen sind häufig in den größten Galaxien innerhalb eines Haufens zu finden, wie z. B. M87 im Virgo-Galaxienhaufen. Diese Strahlungswinde werden als „Rückkopplung“ bezeichnet, weil sie sich direkt auf das auswirken, was sie letztlich auslöst, nämlich die Materie, die in Richtung des zentralen Schwarzen Lochs fällt. Diese Rückkopplung kann Materie aus einer Galaxie in das extragalaktische Medium innerhalb eines Galaxienhaufens treiben, so dass gewöhnliche Materie dort landet, wo man die dunkle Materie vermuten würde.
Um zwischen den Möglichkeiten zu unterscheiden, hat David Harvey von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz einen Deep-Learning-Algorithmus geschrieben, der auf simulierten Bildern von Galaxienhaufen-Kollisionen aus dem BAHAMAS-Projekt (Baryons and Haloes of Massive Systems) trainiert wurde, das von Forschern der Liverpool John Moores University, der Leiden University, der Johns Hopkins University und des CNRS in Frankreich durchgeführt wurde.
Die Simulationen modellieren Kollisionen von Galaxienhaufen mit unterschiedlichen Querschnittswerten und sogar solche, bei denen überhaupt keine dunkle Materie vorhanden ist.
Harvey testete verschiedene Versionen seines Algorithmus, bei dem es sich um ein Convolutional Neural Network (CNN) handelt, das Muster in Bildern sehr gut erkennen kann. Harvey fand heraus, dass die komplexeste Version seines Algorithmus, die den Spitznamen „Inception“ trägt, am genauesten war und eine Erfolgsquote von 80 % erzielte, wenn es darum ging, die simulierten Clusterkollisionen zu charakterisieren.
Es gibt bereits mehrere Projekte, die Kollisionen von Galaxienhaufen abbilden, um das Rätsel der dunklen Materie zu lösen. Das Hubble-Weltraumteleskop hat mit Unterstützung des Chandra-Röntgenobservatoriums bereits seit einiger Zeit Kollisionen von Galaxienhaufen abgebildet, wobei der Bullet Cluster im Jahr 2006 am bekanntesten wurde. Vor kurzem hat die Europäische Weltraumorganisation die Euclid-Mission gestartet, die das so genannte „dunkle Universum“ einschließlich der Anwesenheit dunkler Materie in Galaxienhaufen untersuchen soll. Und in kleinerem Maßstab flog die Höhenballonmission SuperBIT im Jahr 2023 zwei Monate lang um die Welt, um Kollisionen von Galaxienhaufen abzubilden, bevor sie in Argentinien eine Bruchlandung machte. Mit all diesen Beobachtungsdaten und weiteren, die noch folgen werden, wird uns Harveys „Inception“-Algorithmus helfen, schneller eine Antwort auf das Rätsel der dunklen Materie zu finden.
Harveys Algorithmus und seine Ergebnisse wurden am 6. September in Nature Astronomy beschrieben.
