Die Milchstraße, gesehen von unserem Standort in ihr durch die Raumsonde Gaia. (Bildnachweis: ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 IGO.)
Sterne wurden dabei ertappt, wie sie langsamer als erwartet um die Außenbezirke der Milchstraße krabbeln, eine langsame Bewegung, die nach Ansicht von Wissenschaftlern nur dann erklärt werden kann, wenn unsere Galaxienkarte der dunklen Materie falsch ist.
Die spezifischen Geschwindigkeiten von Sternen an den Rändern von Galaxien waren in der Vergangenheit ein eindeutiger Hinweis auf das Vorhandensein von dunkler Materie in diesen Galaxien. Das liegt daran, dass Astronomen die „Rotationskurve“ einer Galaxie messen können, die die Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne in Abhängigkeit von ihrer Entfernung vom Zentrum der Galaxie aufzeichnet.
Wenn es keine dunkle Materie gäbe (und damit auch keinen Gravitationseinfluss), würden die Sterne langsamer werden, je weiter sie vom Zentrum einer Galaxie entfernt kreisen. In den 1960er und frühen 1970er Jahren stellten die Astronomen Vera Rubin und Kent Ford jedoch fest, dass die Rotationskurven von Galaxien flach sind. Mit anderen Worten: Die Umlaufbewegung der Sterne nahm mit der Entfernung nicht ab. Sie blieben gleich schnell. Die Erklärung dafür ist nach Ansicht der Wissenschaftler, dass die Galaxien in Halos aus dunkler Materie eingebettet sind. Es wird angenommen, dass diese Halos im Zentrum der Galaxie am dichtesten sind; die Schwerkraft dieser dunklen Materie hält die Sterne in Bewegung.
Aber die Sache ist die: Da wir uns innerhalb unserer Galaxie befinden und sie nicht aus der Vogelperspektive betrachten können, hat sich die Messung der Rotationskurve unserer Milchstraße als schwieriger erwiesen.
Was wir brauchen, sind genaue Entfernungsangaben, damit wir wissen, wie weit die verschiedenen Außensterne vom galaktischen Zentrum entfernt sind. Im Jahr 2019 leitete Anna-Christina Eilers vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Forschungsteam, das die Sternmessungsmission Gaia der Europäischen Weltraumorganisation nutzte, um die Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in einer Entfernung von bis zu 80.000 Lichtjahren vom galaktischen Zentrum aufzuzeichnen, und fand erwartungsgemäß eine flache Rotationskurve mit dem geringsten Hinweis auf einen Geschwindigkeitsabfall nur für die äußersten Sterne in dieser Stichprobe.
Neue Ergebnisse, die Gaia-Messungen mit denen von APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) kombinieren, das mit einem bodengestützten Teleskop in New Mexico, USA, durchgeführt wird und die physikalischen Eigenschaften von Sternen misst, um ihre Entfernung besser beurteilen zu können, haben die Rotationskurve der Milchstraße für Sterne in einer Entfernung von etwa 100.000 Lichtjahren gemessen, die weiter entfernt ist als je zuvor.
„Was uns wirklich überrascht hat, war, dass diese Kurve bis zu einer bestimmten Entfernung flach, flach, flach blieb und dann anfing, abzufallen“, sagte sLina Necib, Assistenzprofessorin für Physik am MIT, in einer Erklärung. „Das bedeutet, dass die äußeren Sterne ein wenig langsamer rotieren als erwartet, was ein sehr überraschendes Ergebnis ist.“
„Bei diesen Entfernungen befinden wir uns direkt am Rande der Galaxie, wo die Sterne zu verglühen beginnen“, fügte Anna Frebel vom MIT in der gleichen Erklärung hinzu. „Niemand hat erforscht, wie sich die Materie in dieser äußeren Galaxie bewegt, wo wir uns wirklich im Nichts befinden.“
Die Abnahme der Umlaufgeschwindigkeit bei diesen Entfernungen deutet darauf hin, dass es im Zentrum unserer Galaxie weniger dunkle Materie gibt als erwartet. Das Forschungsteam beschreibt den Halo aus dunkler Materie in der Galaxie als „entkernt“, ähnlich wie ein Apfel. Das Team sagt auch, dass die Schwerkraft der dunklen Materie, die dort zu existieren scheint, nicht ausreicht, um bis zu 100.000 Lichtjahre weit zu reichen und die Sterne mit derselben Geschwindigkeit zu bewegen.
„Damit steht dieses Ergebnis in Spannung zu anderen Messungen“, sagte Necib. „Irgendwo ist etwas faul, und es ist wirklich aufregend, herauszufinden, wo das ist, um wirklich ein kohärentes Bild der Milchstraße zu bekommen.“
Der nächste Schritt, so Necib, besteht darin, mit hochauflösenden Computersimulationen verschiedene Verteilungen der dunklen Materie innerhalb unserer Galaxie zu modellieren, um zu sehen, welche die fallende Rotationskurve am besten wiedergibt. Modelle der Galaxienentstehung könnten dann versuchen zu erklären, wie die Milchstraße zu ihrer spezifischen, kernlosen Verteilung der dunklen Materie kam – und warum andere Galaxien das nicht taten.
Die Ergebnisse wurden am 8. Januar in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
