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DUNKLE MATERIE
Einfluss im jungen Universum geringer 
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik
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16. März 2017

Bis heute wissen Astronomen nicht, was einen Großteil der Materie im Universum ausmacht. Sie nennen diesen mysteriösen Stoff Dunkle Materie, da man lediglich aufgrund seiner gravitativen Wirkung auf seine Existenz schließen kann. Eine neue Untersuchung weit entfernter Galaxien ergab nun, dass der Einfluss Dunkler Materie im jungen Universum offenbar geringer war.

Galaxien

Im jungen Universum rotierten die Außenbereiche massereicher Spiralgalaxien (rechts) deutlich langsamer als bei entsprechenden Systemen heute. Dies deutet auf eine geringere Konzentration der Dunklen Materie hin (angedeutet in rot). Bild: ESO/L. Calçada [Großansicht]

Zahlreiche unterschiedliche Studien der Galaxien im lokalen Universum sprachen über viele Jahre hinweg eindeutig für Existenz einer sogenannten "Dunklen Materie" und ihre bedeutende Rolle bei der Entstehung und Entwicklung dieser Systeme. Die normale oder "baryonische" Materie kann direkt in Form von hellen Sternen oder als leuchtendes Gas und Staub beobachtet werden. Dunkle Materie hingegen interagiert mit normaler Materie nur durch die Wirkung ihrer Schwerkraft. Insbesondere ist sie für flache Rotationskurven in Spiralgalaxien verantwortlich - dies bedeutet, dass die Rotationsgeschwindigkeiten des Materials in Spiralgalaxien konstant sind oder sogar mit zunehmendem Abstand vom Zentrum zunehmen.

Ein internationales Team von Astronomen, geleitet von Reinhard Genzel am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, führte jetzt tiefe Beobachtungen von mehreren hundert massereichen, sternbildenden Galaxien im entfernten Universum durch. Diese Systeme beobachten wir teilweise zu einem Zeitpunkt, zu dem das Universums über zehn Milliarden Jahre jünger war als heute.

Den Forschern gelang es, die Rotationskurven der Galaxien zu bestimmen und daraus wertvolle Hinweise auf die Massenverteilung sowohl für baryonische als auch für die Dunkle Materie abzuleiten. Vor zehn Milliarden Jahren sollte die Galaxienentstehung gerade ihren Höhepunkt erreicht haben. Bei sechs Galaxien erhielten die Forscher sogar Daten mit so hoher Qualität, dass sie individuelle Rotationskurven bestimmen konnten; für etwa 100 weitere Galaxien nutzten sie eine neuen Ansatz, die Galaxien praktisch übereinander zu legen, um so eine durchschnittliche, repräsentative Rotationskurve zu erhalten.

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"Überraschenderweise sind die Rotationsgeschwindigkeiten nicht konstant, sie werden kleiner je größer der Radius wird", erläutert Genzel. "Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen dominiert in den meisten dieser frühen, massereichen Galaxien eindeutig die normale Materie - Dunkle Materie spielt eine viel kleinere Rolle als im lokalen Universum. Zweitens waren diese frühen Scheibengalaxien viel turbulenter als die Spiralgalaxien, die wir in unserer kosmischen Nachbarschaft sehen. Diese Turbulenz trägt zur dynamischen Stabilität bei, also müssen sie sich nicht so schnell drehen."

Beide Effekte scheinen mit zunehmende Entfernung größeren Einfluss zu haben, sie waren also zu früheren kosmischen Zeiten wichtiger. Dies deutet darauf hin, dass sich im frühen Universum - etwa drei bis vier Milliarden Jahre nach dem Urknall - das Gas in Galaxien bereits sehr effizient in der Mitte der ausgedehnten Halos aus Dunkler Materie angesammelt hatte. Für die Dunkle Materie in diesen Halos dauerte es etliche Milliarden Jahre länger, um ebenfalls zu kondensieren, so dass wir ihre dominierende Wirkung erst viel später sehen, in den Rotationskurven moderner Galaxien.

Diese Erklärung passt auch zu der Tatsache, dass weit entfernte Galaxien im Vergleich zu uns nähergelegenen Galaxien viel mehr Gas enthielten und kompakter waren. Durch einen hohen Anteil an Gas kann der Drehimpuls leichter abgebaut und das Gas somit einfacher ins Innere gelenkt werden.

"Beim Vergleich dieser frühen masse- und gasreichen, rotierenden Galaxien mit denen im lokalen Universum ist Vorsicht angebracht", warnt Teammitglied Natascha Förster Schreiber. "Heutige Spiralgalaxien, wie unsere Milchstraße, brauchen Dunkle Materie in unterschiedlichem Ausmaß. Andererseits zeigen passive Galaxien im lokalen Universum – also Galaxien, die hauptsächlich aus einer kugelförmigen Komponente bestehen und wahrscheinlich die Nachfahren der von uns beobachteten massereichen, sternbildenden Galaxien sind – einen ähnlich geringen Anteil Dunkler Materie auf galaktischen Skalen."

Zwei weitere Untersuchungen von insgesamt 240 sternbildenden Scheibengalaxien stützen diese Einschätzung. Detaillierte dynamische Modellierungen zeigen, dass Baryonen im Mittel 56% des Gesamtmassenanteils in allen Galaxien ausmachen, für Galaxien in großer Entfernung allerdings dominieren sie die Massenverteilung im Innern vollständig.

Eine andere Analyse wertete dieselben Daten im Rahmen der sogenannten Tully-Fisher-Beziehung aus, die einen engen Zusammenhang zwischen der Rotationsgeschwindigkeit einer Galaxie und ihrer Masse bzw. Leuchtkraft beschreibt. Auch in diesem Fall zeigen die Daten, dass massereiche, sternbildende Galaxien in großer Entfernung bis hin zur äußeren Scheibe einen höheren Baryonenanteil aufweisen als diejenigen bei niedrigerer Rotverschiebung.

"Die Rechnungen zeigen es ganz eindeutig", stellt Teammitglied Stijn Wuyts von der University of Bath fest, "die Dynamik ist ein Maß für die Gesamtmasse. Wenn wir das, was wir in Form von Sternen und Gas sehen, abziehen, bleibt nicht viel Raum für die Dunkle Materie in diesen frühen Scheibengalaxien. Die abfallenden Rotationskurven stehen nicht nur im Einklang mit diesen Ergebnissen, sie bieten einen ganz direkten Hinweis auf die Dominanz der Baryonen - vor allem für Forscher, die eine gesunde Skepsis in Bezug auf die Genauigkeit haben, mit der man die Menge an Sternen und Gas in diesen entfernten Galaxien messen kann."

Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in insgesamt vier Fachartikeln, die in der Zeitschriften Nature und The Astrophysical Journal erschienen sind bzw. eingereicht wurden.

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Einfluss der Dunklen Materie im jungen Universum geringer. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
VLT: Junge Galaxien und Dunkle Materie - 16. März 2016
Links im WWW
Preprint des Nature-Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
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