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„El Gordo“ ist eine der größten bekannten Galaxienansammlungen. Er hat seltsame Eigenschaften, 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))

Das seltsame Verhalten eines massiven Haufens verschmelzender Galaxien könnte erklärt werden, wenn die dunkle Materie, der geheimnisvollste Stoff des Universums, mit sich selbst kollidieren kann. Das derzeit beliebteste Modell der Kosmologie ist jedoch das Modell der kalten dunklen Materie (Cold Dark Matter, CDM) – und es legt nahe, dass die dunkle Materie, die praktisch unsichtbar ist, weil sie nicht mit Licht wechselwirkt, nicht selbst wechselwirkt.

Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, haben Forscher der Gruppe Astrophysik und Kosmologie der italienischen Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) die Vorgänge im massiven Galaxienhaufen „El Gordo“ (was wörtlich „der Dicke“ auf Spanisch bedeutet) simuliert. Er befindet sich etwa 7 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt.

Diese Simulation hat gezeigt, dass die Physik des Superhaufens kollidierender Galaxien – der eine Masse hat, die 3 Millionen Milliarden Sonnen entspricht und offiziell als ACT-CL J0102-4915 bezeichnet wird – durch eine alternative Theorie zum CDM erklärt werden kann. Diese alternative Theorie wird als Modell der selbst-interagierenden dunklen Materie (SIDM) bezeichnet.

Wie der Name schon sagt, geht dieses Modell davon aus, dass die dunkle Materie, egal woraus sie besteht, mit sich selbst kollidieren und interagieren kann. Wenn das Universum durch ein SIDM-Modell genau beschrieben wird, würde dies bedeuten, dass Teilchen der dunklen Materie mit sich selbst Energie austauschen können.

Ein „fettes“ Labor für dunkle Materie

Die Tatsache, dass dunkle Materie weder mit Licht noch mit sichtbarer Materie wechselwirkt, hat Wissenschaftler darauf hingewiesen, dass sie nicht aus Atomen bestehen kann, die aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen. Das sind die Teilchen, aus denen Sterne, Planeten, Monde und unser Körper bestehen. Diese Teilchen gehören gemeinsam zur Familie der Baryonen, weshalb die alltägliche Materie technisch gesehen als „baryonische Materie“ bezeichnet wird.

Dunkle Materie steht in Wechselwirkung mit der Schwerkraft, so dass die Auswirkungen, die sie auf die Struktur des Raums hat, sich auf baryonische sichtbare Materie und Licht auswirken können. Auf diese Weise schließen Wissenschaftler auf das Vorhandensein dunkler Materie. Die dunkle Materie stellt jedoch ein großes Problem für die Physik dar. Die Anzahl der Teilchen der dunklen Materie übersteigt die der baryonischen Teilchen um mindestens 5 zu 1, möglicherweise sogar um 9 zu 1, was bedeutet, dass das, was wir im Kosmos sehen, nur einen winzigen Teil seines tatsächlichen Inhalts darstellt.

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„Nach dem derzeit akzeptierten kosmologischen Standardmodell kann die derzeitige baryonische Materiedichte des Universums nur 10 % seines gesamten Materiegehalts ausmachen. Die restlichen 90 % liegen in Form von dunkler Materie vor“, erklärte der Leiter des Teams und SISSA-Wissenschaftler Riccardo Valdarnini in einer Erklärung. „Es wird allgemein angenommen, dass diese Materie nichtbaryonisch ist und aus kalten, kollisionsfreien Teilchen besteht, die nur auf die Schwerkraft reagieren.

„Es gibt jedoch immer noch eine Reihe von Beobachtungen, die mit dem Standardmodell noch nicht erklärt werden können.“

Ein Diagramm, das die Entwicklung des Universums nach dem vorherrschenden Modell der kalten dunklen Materie zeigt. Beobachtungen von El Gordo könnten dieses Modell in Frage stellen (Bildnachweis: NASA/ LAMBDA Archive / WMAP Science Team)

El Gordo besteht aus zwei getrennten Galaxien-Subclustern, die mit mehreren Millionen Meilen pro Stunde kollidieren. Er ist so weit entfernt, dass er so gesehen wird, als wäre das Universum weniger als die Hälfte seines heutigen Alters. Valdarnini erklärte, dass riesige und massive Strukturen wie El Gordo, die 2012 entdeckt wurden, die perfekten kosmischen Labore für die Untersuchung potenzieller SIDM-Modelle sind.

„Das sind die massiven Galaxienhaufen, gigantische kosmische Strukturen, die bei der Kollision die energiereichsten Ereignisse seit dem Urknall bestimmen“, sagte Valdarnini. „El Gordo ist einer der größten Galaxienhaufen, die wir kennen. Aufgrund seiner Besonderheiten war El Gordo Gegenstand zahlreicher Studien, sowohl theoretischer als auch beobachtender Art.“

Ein Problem für das Standardmodell der Kosmologie

Das CDM-Standardmodell der Kosmologie legt nahe, dass sich die Gaskomponente eines solchen Ereignisses, wenn Galaxien in einem Haufen kollidieren und verschmelzen, anders verhalten sollte als die Komponente der dunklen Materie, die sich als Teil der ursprünglich freigesetzten Energie auflöst.

„Aus diesem Grund wird die Spitze der Gasmassendichte nach der Kollision hinter der der dunklen Materie und der Galaxien zurückbleiben“, erklärt Valdarnini.

Das SIDM-Modell geht davon aus, dass bei diesen Kollisionen etwas anderes passieren würde. In diesem Modell gäbe es eine physikalische Trennung zwischen den Punkten mit maximaler Massendichte der dunklen Materie, die als „Zentren der dunklen Materie“ bezeichnet werden, und den anderen Massenkomponenten der kollidierenden Galaxien. Die Beobachtungen von El Gordo scheinen darauf hinzudeuten, dass genau diese SIDM-Signatur vorliegt.

Dieses Bild des Galaxienhaufens El Gordo kombiniert Bilder, die mit dem Very Large Telescope der ESO aufgenommen wurden, mit Bildern des SOAR-Teleskops und Röntgenbeobachtungen des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA. (Bildnachweis: ESO/SOAR/NASA)

El Gordo besteht aus zwei massiven galaktischen Unterhaufen, die als nordwestlicher (NW) bzw. südöstlicher (SE) Haufen bezeichnet werden. Röntgenbilder des gesamten kollidierenden Superhaufens zeigen eine einzelne Röntgenspitze im SE-Subhaufen und zwei schwache, längliche Schweife, die sich über diese Spitze hinaus erstrecken.

Ein merkwürdiges Merkmal dieser Emissionen ist die unterschiedliche Lage der Spitzenwerte der verschiedenen Massenkomponenten. Anders als in einem anderen massereichen Superhaufen kollidierender Galaxien, dem Bullet Cluster, liegt der Röntgenpeak von El Gordo vor dem SE-Peak der dunklen Materie. Außerdem ist die hellste Haufengalaxie (Brightest Cluster Galaxy, BCG) in El Gordo dem Röntgenpeak nacheilend, und sie scheint auch vom Massenschwerpunkt von SE versetzt zu sein. Auch im NW-Haufen von El Gordo gibt es merkwürdige Merkmale. In diesem Gebiet ist die höchste Dichte der Galaxien räumlich von der entsprechenden Massenspitze entfernt.

Um diese Merkmale zu erklären und möglicherweise ein SIDM-Modell zu validieren, führten Valdarnini und das Team eine Reihe von hydrodynamischen Simulationen von El Gordo durch, die darauf abzielten, die beobachteten Merkmale des massiven Superhaufens zu reproduzieren.

„Das wichtigste Ergebnis dieser Simulationsstudie ist, dass die beobachteten relativen Abstände zwischen den verschiedenen Massenschwerpunkten des ‚El Gordo‘-Haufens auf natürliche Weise erklärt werden können, wenn die dunkle Materie selbst-interagierend ist“, fuhr er fort. „Aus diesem Grund liefern diese Ergebnisse eine eindeutige Signatur eines Verhaltens der dunklen Materie, das Kollisionseigenschaften in einem sehr energiereichen, hochverschiebten [sehr weit entfernten] Sternhaufen aufweist.“

Der SISSM-Forscher räumt jedoch auch ein, dass es Unstimmigkeiten zwischen den SIDM-Modellen und den El-Gordo-Beobachtungen sowie den Simulationen gibt, wobei einige gemessene Werte höher sind als die vom Modell vorhergesagten Obergrenzen für solche Haufenfusionen.

„Dies deutet darauf hin, dass die derzeitigen SIDM-Modelle nur als eine Annäherung niedriger Ordnung betrachtet werden sollten und dass die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse, die die Wechselwirkung der dunklen Materie bei großen Haufenfusionen beschreiben, komplexer sind, als sie durch den allgemein angenommenen Ansatz, der auf der Streuung von Teilchen der dunklen Materie basiert, angemessen dargestellt werden können“, schloss Valdarnini. „Die Studie liefert überzeugende Argumente für die Möglichkeit einer selbst wechselwirkenden dunklen Materie zwischen kollidierenden Haufen als Alternative zum Standardparadigma der kollisionsfreien dunklen Materie.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im April in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.