Dunkle Materie-Halos: Neue Entdeckungen? Oder es kann den Menschen helfen, die Entwicklung des Universums zu verstehen!

„Folgen Sie dieser beschwerlichen Reise zu den Sternen“ und kommen Sie dem mysteriösen Halo aus dunkler Materie näher.

Messungen der mysteriösen Materie, die diese Quasargalaxien umgibt, könnten tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der Entwicklung des Universums haben.

Illustration eines Halos aus dunkler Materie.

(Bildnachweis: Künstlerische Darstellung von Christopher Dessert, Nicholas L. Rode, Benjamin R. Safdie und Zosia Rostomian (Berkeley Lab) basierend auf Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops).

Einem Team von Astronomen ist es erstmals gelungen, die Halos aus dunkler Materie zu „wiegen“, die supermassereiche Schwarze Löcher umgeben, die in den hellen Zentren uralter Galaxien aktiv sind.

Messungen der mysteriösen Materieformen, die diese Quasargalaxien umgeben, könnten tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der Entwicklung des Universums haben.

Diese von schwarzen Löchern angetriebenen „Herzen“ (oder Quasare) überstrahlen oft alle Sterne in den sie umgebenden Galaxien zusammen. Diese superhellen Zentralregionen „brennen“, wenn supermassereiche Schwarze Löcher mit Milliardenfacher Masse unserer Sonne beginnen, gierig die umgebende Materie zu verschlingen.

Neuen Forschungsergebnissen zufolge gehen Wissenschaftler davon aus, dass die Halos aus dunkler Materie um diese aktiven Galaxien dabei helfen, Material zu den zentralen Schwarzen Löchern zu transportieren und so einen kosmischen Kurierdienst zur Versorgung von Titan bereitzustellen. Die neue Studie zeigt, dass ein solcher Nährmechanismus im Umfeld von Hunderten urzeitlicher Quasare tatsächlich existiert und dass dieser Prozess im Laufe der gesamten Geschichte des Universums fortbestanden hat.

„Zum ersten Mal haben wir die Masse eines typischen Dunkle-Materie-Halos gemessen, der vor etwa 13 Milliarden Jahren ein aktives Schwarzes Loch im Universum umgab“, sagte Teamleiter Nobushige Kashiwagawa, Professor am Institut für Astronomie der Universität Tokio, in einer Erklärung. „Wir haben festgestellt, dass die Masse des Dunkle-Materie-Halos um Quasare sehr stabil ist und etwa dem 10-Billionenfachen der Sonnenmasse entspricht. Wir haben die Masse des jüngeren Dunkle-Materie-Halos um Quasare gemessen, und diese Messungen ähneln überraschend unseren Messungen älterer Quasare.“

„Das ist interessant, weil es darauf schließen lässt, dass es eine einzigartige Halomasse aus dunkler Materie gibt, die offenbar in der Lage ist, Quasare zu aktivieren, sowohl vor Milliarden von Jahren als auch heute.“

Da das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie die Entstehung von Sternen und das Wachstum der gesamten Galaxie stark beeinflussen kann, könnte diese unerwartete Entdeckung des Teams von Nobuyuki Kashiwa tiefgreifende Auswirkungen auf die wissenschaftlichen Untersuchungen zum Wachstum von Galaxien im frühen Universum und zur Entwicklung des Universums haben.

Den Dunkle-Materie-Gehalt urzeitlicher Galaxien abschätzen

Das Bild zeigt die Masse des Dunkle-Materie-Halos, der Quasare im Zentrum alter aktiver Galaxien umgibt.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft ist bestrebt, die Frage nach der Natur der dunklen Materie zu klären. Obwohl dunkle Materie etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht, interagiert sie nicht mit Licht und ist daher für uns nicht sichtbar.

Aus den Gravitationseffekten dunkler Materie können Astronomen nicht nur auf deren Existenz schließen, sondern auch auf die Auswirkungen, die dieser Effekt auf normale, alltägliche Materie hat, darunter Sterne, Wolken aus kosmischem Staub und Gas, Planeten in Galaxien und das Licht, das durch diese Galaxien hindurchgeht. Aufgrund der Unerreichbarkeit der Gravitationseffekte erkannten die Wissenschaftler schließlich, dass die meisten Galaxien von einer Art Halo aus dunkler Materie umgeben sein müssen. Wenn Galaxien nur aus der Gravitationskraft sichtbarer Materie bestünden, könnten sie bei hoher Rotationsgeschwindigkeit nicht zusammenhalten.

Doch selbst mit diesen Verbesserungen bei den Techniken zur Bestimmung dunkler Materie bleibt es schwierig, die Masse dieses unsichtbaren Materials in den Halos um nahegelegene Galaxien zu messen. Die Messung der Dunklen Materie um weiter entfernte Galaxien (also der Dunklen Materie früher Galaxien) ist schwieriger, da das von diesen Galaxien ausgestrahlte Licht sehr schwach ist.

Kashiwa ließ sich von diesen Herausforderungen jedoch nicht einschüchtern. Er und sein Team hoffen, besser zu verstehen, wie Schwarze Löcher im frühen Universum gewachsen sind. Und da die Helligkeit von Hunderten der größten und stärksten supermassereichen Schwarzen Löcher die Energie für Quasare liefert, konnten die Forscher erstmals die Halos aus dunkler Materie um alte Galaxien messen.

Das Licht dieser uralten Quasare muss 13 Milliarden Jahre durch das Universum reisen, bevor es von Teleskopen erfasst wird. Während dieser gewaltigen kosmischen Reise verliert dieses Licht Energie und dehnt seine Wellenlänge aus, wobei es sich vom roten Ende des sichtbaren Lichtspektrums nach unten zu infraroten Wellenlängen bewegt – ein Prozess, den Astronomen als „Rotverschiebung“ bezeichnen.

Wir haben dunkle Materie und dunkle Energie noch nie gesehen. Warum glauben wir also, dass es sie gibt?

Forscher graben tief unter der Erde in der Hoffnung, irgendwann dunkle Materie zu beobachten.

Massereiche Galaxien ohne dunkle Materie sind ein kosmisches Rätsel.

Im Jahr 2016 begannen Kashiwa und sein Team mit der Erfassung von Infrarotdaten aus einer Reihe astronomischer Beobachtungen. Dabei verwendeten sie eine Reihe von Instrumenten, vor allem das Subaru-Teleskop auf dem Gipfel des Mauna Kea auf Hawaii.

Dadurch konnten sie beobachten, wie das Licht dieser Quasare durch die Gravitationskraft der dunklen Materie verändert wurde. Dunkle Materie verzerrt wie alle Materie mit Masse das Gefüge des Weltraums und bewirkt eine Krümmung des Lichtwegs – ein Prozess, den Astronomen als Gravitationslinseneffekt bezeichnen. Durch Messen des Ausmaßes der Ablenkung und Vergleichen mit der Ablenkung, die durch die Masse gewöhnlicher Materie wie Gas, Staub und Sterne in der Galaxie verursacht werden sollte, kann die Masse der verborgenen dunklen Materie enthüllt werden.

„Die neue Generation der Subaru-Teleskope kann weiter sehen als je zuvor, aber wir können auch internationale Beobachtungsprojekte ausweiten, um mehr zu lernen“, fügte Kashiwa hinzu. Das Vera Rubin Observatorium in Washington und sogar der Euclid-Satellit, der dieses Jahr von der Europäischen Union gestartet wurde, werden einen größeren Bereich des Himmels erkunden und mehr Halos aus dunkler Materie um Quasare entdecken.

„Wir können die Beziehung zwischen Galaxien und supermassereichen Schwarzen Löchern umfassender untersuchen. Dies könnte uns helfen zu verstehen, wie Schwarze Löcher entstehen und wachsen.“

VON: Robert Lea

GJ: Qin Ban Liang

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