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UKW-Strahlung könnte Dunkle Materie enttarnen
Redaktion / MPG
astronews.com
15. Dezember 2006
Um was es sich bei der mysteriösen Dunklen Materie handelt,
ist Astronomen bislang vollkommen unklar. Auch ihre Verteilung im Weltall läst
sich nur sehr schwer bestimmen. Jetzt zeigen Forscher aus Garching eine Weg auf,
mehr über Dunkle Materie zu erfahren: Mit Hilfe von riesigen Radioteleskopen
ließen sich hochaufgelöste Bilder der kosmischen Masseverteilung erstellen.
Massenverteilung in einem Himmelsgebiet
so groß wie ein Viertel des Vollmonds. Oben in
der Auflösung eines optischen Weltraumteleskops
(um die Strukturen zu verdeutlichen, wurde der
Kontrast verdreifacht), unten die vorausgesagte
Auflösung eines 100 Kilometer großen
Radioteleskops. Diese Bilder erstellte Stefan
Hilbert am Max-Planck-Institut für Astrophysik
mithilfe der Millennium Simulation, der bisher
größten Computersimulation zur Strukturbildung
im Kosmos.
Bild: Max-Planck-Institut für Astrophysik
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Galaxien machen nur einen kleinen Teil der Masse im Universum aus, der große
Rest besteht aus einer fremdartigen Materie, die sich bisher hartnäckig jeder
direkten Beobachtung entzieht. Nun haben Forscher am Max-Planck-Institut für
Astrophysik errechnet, dass ein sehr großes Radioteleskop ein äußerst
detailliertes Bild der kosmischen Verteilung dieser unsichtbaren Dunklen Materie
erstellen könnte. Es wäre erheblich höher aufgelöst als die besten mit optischen
Teleskopen gewonnenen Aufnahmen. Diese neue Erkenntnis soll ermutigen, größere
UKW-Teleskope zu bauen. Denn solche Bilder würden eine gewaltige Menge neuer
Erkenntnisse darüber bringen, wie das Universum und seine Galaxien entstanden.
Das Licht von weit entfernten Quellen wird auf dem Weg zu uns durch die
Schwerkraft von näher gelegenen Objekten abgelenkt. Diese gravitative
Lichtablenkung verzerrt die Bilder von diesen Quellen wie eine entfernte
Landschaft, die man durch eine krumme Fensterscheibe oder auf einer gekräuselten
Teichoberfläche sieht. Aus der Verzerrung lässt sich die sichtbare und
unsichtbare Masse im Vordergrund errechnen. Bislang arbeiteten Forscher nur mit
der Verzerrung von Licht aus fernen Galaxien. Die Wissenschaftler R. Benton
Metcalf und Simon White des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching
haben nun aber ermittelt, dass die gravitative Verzerrung von Radiobildern
prägalaktischen Gases viel detailliertere Karten der kosmischen
Materieverteilung liefern würde. Die bislang nur verschwommenen, nahezu
unbrauchbaren Aufnahmen der optischen Teleskope könnten Radioteleskope bis zu
20-fach höher auflösen.
Die entsprechenden Radiowellen stammen aus den ersten halben Milliarden
Jahren nach dem Urknall, bevor die ersten Galaxien erschienen. In diesem
Zeitraum bestand die normale Materie aus einem fast gleichmäßig verteilten
Gasgemisch von Wasserstoff und Helium mit geringen Dichteschwankungen. Diese
schwachen Strukturen beeinflussen jedoch die kosmische Hintergrundstrahlung bei
einer für Wasserstoff charakteristischen Wellenlänge von 21 Zentimetern und sind
deshalb sichtbar. Da sich das Universum ausdehnt, ist diese Wellenlänge jetzt
auf zwei bis 20 Metern angewachsen, was dem UKW-Bereich entspricht.
Je nach Entfernung der Radioquelle ändert sich deren Wellenlänge. Ein
Radioteleskop kann deshalb diese Strukturen voneinander unterscheiden - bis zu
tausend in jeder Richtung. So erhält man viele sehr weit entfernte
Strahlungsquellen: die ideale Vorraussetzung, um aus deren gravitativer
Verzerrung die Masse der davor liegenden Objekte genau zu errechnen. Anders als
bisher könnten Forscher mithilfe der Radiowellen auch weit entfernte Strukturen
erfassen, die hinter den Galaxien liegen, deren optische Bildverzerrung messbar
ist. Außerdem könnte man so ein Bild des frühen Universums erstellen, als es
noch keine Galaxien gab.
"Entsprechende Untersuchungen mit sehr großen Radioteleskopen würden eine
neue Ära in der Hochpräzisions-Kosmologie einleiten und uns genauer verstehen
lassen, wie Galaxien entstehen", sagt Simon White. Sehr hochaufgelöste Bilder
erfordern allerdings gigantische Radioteleskope: etwa ein dicht mit
Radioantennen bestücktes Gebiet von etwa 100 Kilometer Durchmesser, das im
Idealfall auf der Rückseite des Mondes liegt, wo die Antennen ohne die störenden
Einflüsse der Erdatmosphäre arbeiten könnten.
"Um mit Radiowellen neue Ergebnisse zu erzielen, müssen wir aber nicht auf so
ein Riesenteleskop warten" sagt Simon White. Neben der Dunklen Materie gibt es
nämlich noch ein weiteres finsteres Rätsel im Weltall: Die mysteriöse Dunkle
Energie, welche die Ausdehnung des Universums beschleunigt. Die Wissenschaftler
haben gezeigt, dass sich selbst mit einer ungenaueren Massenkarte von kleineren
Radioteleskopen die Eigenschaften dieser Dunklen Energie genauer bestimmen
lassen als mit allen bisherigen geplanten Methoden.
Die Ergebnisse steigern jedenfalls die Erwartungen an Radioteleskope, die
sich derzeit im Bau oder in Planung befinden. Eines der am weitesten gediehenen
Projekte ist das Low Frequency Array (LOFAR) in den Niederlanden, das aus
Tausenden über ein Netzwerk verbundener kleiner Radioantennen bestehen soll (astronews.com
berichtete). Es deckt allerdings nur ein Zehntausendstel der Fläche des idealen
Riesenteleskops ab. Das Max-Planck-Institut für Astrophysik will, zusammen mit
anderen deutschen Instituten, beim LOFAR-Projekt eine wichtige Rolle übernehmen.
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