Eine simulierte Ansicht der Andromeda-Galaxie, in der Roman zwischen den Sternen nach dunkler Materie suchen wird (Bildnachweis: NASA, NASA-GSFC, ASU, Robert Gendler DSS)
Bilder, die von dem geplanten Nancy Grace Roman-Weltraumteleskop der NASA erzeugt werden, könnten es Wissenschaftlern ermöglichen, zwischen den Sternen nach dunkler Materie zu suchen.
Ein internationales Forscherteam ist der Ansicht, dass die Lücken in den Sternenketten, die an dicht gepackten Kugeln aus alten Sternenkörpern, den so genannten Kugelsternhaufen, hängen, von Klumpen dunkler Materie beeinflusst sein könnten.
Bislang konnten Astronomen diese baumelnden Sternströme nur innerhalb der Milchstraße untersuchen, was bedeutet, dass unser Verständnis von ihnen begrenzt ist. Roman, der 2027 starten soll, sollte empfindlich genug sein, um diese Strukturen in unserer Nachbargalaxie Andromeda zu sehen – und mit solchen Details wäre es möglich, Störungen zu erkennen, die durch dunkle Materie verursacht werden und den Astronomen Hinweise auf diese schwer fassbare Substanz geben.
„Es gibt stellare Ströme in unserer eigenen Galaxie, wo wir Lücken sehen, die auf dunkle Materie zurückzuführen sein könnten“, sagte Tjitske Starkenburg, Teammitglied und Wissenschaftlerin an der Northwestern University, in einer Erklärung. „Aber diese Lücken können auch auf andere Weise entstanden sein.“
Das Team vertritt die Ansicht, dass Roman durch die Beobachtung von Lücken in anderen Galaxien als der Milchstraße den Wissenschaftlern ein besseres Bild von diesen Lücken als Ganzes vermitteln wird. Dies könnte letztendlich dazu beitragen, die Existenz und die Eigenschaften von Klumpen dunkler Materie zu bestimmen.
Lesen zwischen den Zeilen (oder eher den Sternen)
Die dunkle Materie beunruhigt die Wissenschaftler, denn obwohl sie schätzungsweise 85 % der Materie im Universum ausmacht, wissen sie nur sehr wenig darüber, woraus sie besteht.
Dunkle Materie interagiert nicht mit Licht, d. h. sie ist für unsere Augen praktisch unsichtbar und kann nicht aus Atomen bestehen, die sich aus den Elektronen, Protonen und Neutronen zusammensetzen, aus denen die „alltägliche“ Materie besteht, die wir gewohnt sind. Denken Sie an Sterne, Planeten, Blumen, Bücher. Alles, was wir mit bloßem Auge sehen – einschließlich unseres Körpers -, besteht aus solcher „normalen“ Materie.
Die dunkle Materie interagiert jedoch mit der Schwerkraft, und das bedeutet, dass die einzige Möglichkeit für die Wissenschaftler, auf ihre Anwesenheit zu schließen, darin besteht, zu untersuchen, wie ihr Einfluss auf die Schwerkraft anschließend die gesamte alltägliche Materie und das Licht beeinflusst.
Die Tatsache, dass dunkle Materie mit der Schwerkraft wechselwirkt, ist für die Entwicklung des Universums eigentlich ein Glücksfall. Einige Galaxien rotieren zum Beispiel so schnell, dass die Schwerkraft ihrer sichtbaren Materie – Sterne, Gas, Staub und Planeten – nicht ausreichen würde, um zu verhindern, dass sie fast auseinanderfliegen.
„Wir sehen, wie sich die dunkle Materie auf Galaxien auswirkt“, sagte Christian Aganze, Mitglied des Teams und Postdoktorand an der Stanford University, in der Erklärung. „Wenn wir zum Beispiel modellieren, wie Galaxien rotieren, brauchen wir zusätzliche Masse, um ihre Rotation zu erklären. Die dunkle Materie könnte diese fehlende Masse liefern.“
Die Illustration zeigt Ströme von Sternen um die Andromeda-Galaxie (Bildnachweis: NASA, Joseph Olmsted (STScI))
Hinweise auf dunkle Materie können durchaus von Kugelsternhaufen, die oft Millionen von Sternen enthalten, zusammen mit losen Sternströmen abhängen. Das liegt daran, dass Wissenschaftler glauben, dass die dunkle Materie „Löcher“ in diese Sternströme stanzen kann, wodurch Lücken entstehen, die genutzt werden können, um die Natur dieser mysteriösen Form von Materie zu bewerten.
„Der Grund, warum diese Ströme besonders interessant sind, um die Auswirkungen dieser Klumpen dunkler Materie zu beobachten, ist ein zweifacher“, so Starkenburg. „Erstens ‚leben‘ diese Ströme in den extremen äußeren Regionen einer Galaxie, wo es sonst nur sehr wenig Struktur gibt.
„Und zweitens sind diese Ströme von Natur aus sehr dünn, weil sie sich aus dichten Sternhaufen gebildet haben, was bedeutet, dass man Lücken oder Störungen viel leichter erkennen kann.“
Dies ist keine neue Idee, aber eine, die noch nicht voll ausgeschöpft wurde, um dem Problem der dunklen Materie auf den Grund zu gehen. Die derzeitigen Weltraumteleskope und bodengestützten Instrumente beschränken sich auf die Suche nach Löchern in dunkler Materie in einer kleinen Anzahl von Sternströmen, die an Kugelsternhaufen innerhalb der Milchstraße hängen.
Aus seiner Position rund 1 Million Meilen (1,6 Millionen Kilometer) von der Erde entfernt wird Roman zum ersten Mal in der Lage sein, solche Merkmale in benachbarten Galaxien, insbesondere in Andromeda, zu untersuchen. Sein Weitwinkelinstrument wird Bilder erzeugen, die 200 Mal so groß sind wie die des Hubble-Weltraumteleskops.
Um dies zu testen, simulierte das Team Ströme von Sternen und ließ sie mit Klumpen dunkler Materie interagieren, wodurch wie vorhergesagt Lücken entstanden. Anschließend stellten die Wissenschaftler Roman-Beobachtungen dieser durch dunkle Materie entstandenen Lücken in Sternströmen nach. Sie kamen zu dem Schluss, dass Roman tatsächlich in der Lage sein wird, diese Lücken zu entdecken, wenn es endlich seine Augen für den Kosmos öffnet.
Roman wird mehr Licht in die dunkle Materie bringen
Die Untersuchung von Sternströmen, die an Kugelsternhaufen hängen, wird nicht die einzige Jagd nach dunkler Materie sein, die Roman bei der Erforschung des Universums unternimmt: Wissenschaftler gehen davon aus, dass die meisten, wenn nicht alle Galaxien von Halos dieser mysteriösen Materie umgeben sind. Und diese Halos reichen vermutlich weit über die sichtbare Materie der Galaxien hinaus. Letztere wird auch von dem Weltraumteleskop untersucht, das nach der ersten Astronomiechefin der NASA, Nancy Grace Roman, benannt ist, die liebevoll als „Mutter von Hubble“ bezeichnet wird.
Roman wird nicht nur den Halo aus dunkler Materie um Andromeda untersuchen, sondern auch die mögliche Existenz kleinerer „Subhalos“ aus dunkler Materie um die nahe Galaxie.
„Wir erwarten, dass kleinere Subhalos dunkler Materie mit den Strömen von Kugelsternhaufen interagieren“, so Starkenburg. „Wenn diese Subhalos in anderen Galaxien vorhanden sind, sagen wir voraus, dass wir Lücken in den Strömen der Kugelsternhaufen sehen werden, die wahrscheinlich durch diese Subhalos verursacht werden.
„Das wird uns neue Informationen über die dunkle Materie liefern, einschließlich der Frage, welche Arten von Halos der dunklen Materie vorhanden sind und wie groß ihre Massen sind.“
Neben seiner Beteiligung an dieser Studie trägt Starkenburg bereits dazu bei, die Grundlagen für Romans Arbeit als Detektiv der dunklen Materie zu schaffen, und zwar mit Hilfe einer Finanzierung durch das Nancy Grace Roman Space Telescope Research and Support Participation Opportunities Programm der NASA.
„Das Team plant, die Bildung von Kugelsternhaufen zu Sternströmen zu modellieren, indem es einen viel detaillierteren theoretischen Rahmen entwickelt“, sagte sie. „Wir werden die Ursprünge von Kugelsternhaufen, die sich in Strömen bilden, vorhersagen und herausfinden, ob diese Ströme mit Roman beobachtet werden können.“
Die Forschungsergebnisse des Teams sind in einem Preprint-Papier auf der Website arXiv veröffentlicht und wurden zur Veröffentlichung in The Astrophysical Journal angenommen.
