Stellare Ströme in und um die Milchstraße könnten Aufschluss über die Natur der dunklen Materie geben.(Bildnachweis: RubinObs/NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva, M. Zamani)
Das Vera C. Rubin-Observatorium, ein 700-Millionen-Dollar-Teleskop, das im Norden Chiles kurz vor der Fertigstellung steht, soll ab Ende nächsten Jahres Hinweise auf die Natur der dunklen Materie liefern, indem es die Lücken zwischen den Strömen von Sternen untersucht, die am Rande unserer Galaxie kreisen.
Diese Lücken befinden sich in den Sternspuren, die zurückblieben, nachdem die Milchstraße durch ihre Gravitation nahe gelegene Galaxien zerfetzt hat, in denen die stellaren Überreste existieren. Dies sind nützliche Hinweise auf die dunkle Materie – die unsichtbare, das Universum durchdringende Substanz, die die meisten Galaxien in Halos umgibt, aber noch nicht direkt nachgewiesen werden konnte. In stellaren Strömen lässt sich der Einfluss der dunklen Materie ableiten, „so wie man mit funkelnden Lichtern die Form eines Baumes erkennen kann, um den sie aufgereiht sind, auch wenn man die Äste oder das Laub nicht sehen kann“, so die Wissenschaftler.
„Stellare Ströme sind wie Perlenketten, deren Sterne den Weg der Umlaufbahn des Systems nachzeichnen und eine gemeinsame Geschichte haben“, sagte Jaclyn Jensen, Doktorandin an der University of Victoria in British Columbia, in einer Erklärung. „Wenn wir eine Perlenkette mit ein paar verstreuten Perlen in der Nähe finden, können wir daraus schließen, dass etwas vorbeigekommen sein könnte und die Kette zerrissen hat.“
Eine zentrale Vorhersage des kosmologischen Standardmodells, das auf der Annahme beruht, dass die dunkle Materie „kalt“ ist (was bedeutet, dass sie nur sehr schwache Wechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie und elektromagnetischer Strahlung hat), ist, dass die dunkle Materie aus kleineren Klumpen besteht. Wenn diese Klumpen mit anderen Strukturen interagieren, stören sie nach Ansicht der Wissenschaftler die Dynamik dieser Strukturen und verändern sogar ihr Aussehen.
In Sternströmen zeigen sich diese Effekte als „Knicke“ oder Lücken in den Sternspuren. Es sind diese Störungen, die von der beispiellosen Digitalkamera des Rubin-Observatoriums abgebildet werden können, heißt es in der Erklärung der Zusammenarbeit.
Sternströme, die sich durch verräterische Bewegungen, die für ihre jeweilige Gruppe einzigartig sind, von anderen Sternhaufen unterscheiden lassen, sind besonders nützliche Kandidaten, um die Natur der dunklen Materie zu untersuchen, sagen die Wissenschaftler. Ihre kosmische Heimat in den Außenbezirken unserer Galaxie macht sie weniger anfällig für Wechselwirkungen mit anderen Strukturen, die den Einfluss der dunklen Materie verwirren könnten.
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Wenn alles nach Plan läuft, könnte das Rubin-Observatorium nach Schätzungen der Wissenschaftler fünfmal weiter entfernte Sternspuren aufspüren, als die derzeitigen Teleskope entziffern können, und so neue Populationen von Sternströmen in den Außenbezirken unserer Galaxie ans Licht bringen.
„Ich bin wirklich begeistert davon, stellare Ströme zu nutzen, um mehr über dunkle Materie zu erfahren“, sagte Nora Shipp, eine Postdoc-Stipendiatin an der Carnegie Mellon University, deren frühere Forschung 11 neue stellare Ströme um die Milchstraße entdeckt hat, in einer Erklärung. „Mit dem Rubin-Observatorium werden wir in der Lage sein, stellare Ströme zu nutzen, um herauszufinden, wie die dunkle Materie in unserer Galaxie von den größten Skalen bis hin zu sehr kleinen Skalen verteilt ist.“
Anfang dieses Monats gab die Rubin-Observatoriums-Kooperation die Fertigstellung des Teleskops bekannt, das mit einer atemberaubenden Auflösung von 3.200 Megapixeln und der Größe eines Kleinwagens die größte Digitalkamera der Welt ist.
„Die Bilder sind so detailliert, dass sie einen Golfball aus einer Entfernung von etwa 15 Meilen auflösen könnten, während sie einen Bereich des Himmels abdecken, der siebenmal breiter ist als der Vollmond“, sagte Aaron Roodman, Astrophysiker an der Stanford University und stellvertretender Direktor des Rubin-Observatoriums und Leiter des Kameraprogramms, zuvor gegenüber kosmischeweiten.de. „Das wird wirklich einschneidende Studien über die Expansion des Universums und die dunkle Energie ermöglichen.“
Ähnliche Bilder der Andromeda-Galaxie vom Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA, einem zukünftigen Infrarot-Observatorium, das für die Suche nach Planeten jenseits unseres Sonnensystems und die Entschlüsselung der Physik entfernter Sterne entwickelt wurde, könnten Astronomen dabei helfen, stellare Ströme jenseits unserer eigenen Milchstraße zu untersuchen und noch mehr Hinweise auf dunkle Materie zu entschlüsseln. Das römische Weltraumteleskop soll im Mai 2027 in Betrieb genommen werden und fünf Jahre lang das Universum von seiner eine Million Meilen von der Erde entfernten Umlaufbahn aus untersuchen.
Wissenschaftler sagen, dass diese Beobachtungen die Arten von Teilchen eingrenzen könnten, aus denen sich die Klumpen der dunklen Materie zusammensetzen, was ihnen dann helfen würde, die Eigenschaften dieser mysteriösen Substanz einzugrenzen, die seit langem ein Rätsel ist.
