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Problem um Galaxienentstehung gelöst?
Redaktion
/ Pressemitteilung der Universität Zürich
astronews.com
14. Januar 2010
Kosmologische Modelle mit sogenannter kalter Dunkler Materie können eine
Vielzahl von Beobachtungsbefunden im All erklären. Auf kleinen Skalen
allerdings, etwa bei der Betrachtung einzelner Galaxien, bereiten sie den
Astronomen einiges Kopfzerbrechen. Eine internationale Forschergruppe glaubt
nun, das Problem dank einer aufwendigen Simulation zur Entstehung von
scheibenförmigen Zwerggalaxien gelöst zu haben.
Momentaufnahmen aus der Simulation zur
Entstehung von Zwerggalaxien, bei denen die
Effekte von Supernovae berücksichtigt worden
sind.
Bild: University of Washington / Katy
Brooks [Großansicht] |
Kalte Dunkle Materie – bis heute arbeitet die Wissenschaft am
positiven Nachweis ihrer Existenz. Viele astrophysikalische Phänomene
sind nur erklärbar, wenn ihr Vorhandensein vorausgesetzt wird: Das
Modell der kalten Dunklen Materie (cold dark matter, CDM)
erklärt beispielsweise die Verteilung der Galaxien und der
Standardmaterie im Universum. Als kalte Dunkle Materie fassen Astronomen
bislang noch nicht entdeckte Elementarteilchen zusammen.
Solange die CDM-Modelle in sehr großen Dimensionen, also in der Größenordnung
von Milliarden von Lichtjahren angewendet werden, stehen Modellvorhersage und
astronomische Beobachtungen im Einklang. Werden sie dagegen in der Größenordnung
von Einzelgalaxien – also in Dimensionen von hundert bis tausend Lichtjahren –
eingesetzt, versagen die Modelle und führen zu einem Paradox mit der gemessenen
Realität.
Gemäß Modellvorhersage müsste etwa das Zentrum einer Galaxie schneller
rotieren als dies die astronomischen Messungen effektiv anzeigen. Das Modell
sagt im Zentrum einer Galaxie eine wesentlich höhere Dichte an kalter Dunkler
Materie voraus als dies der Fall sein kann. Besonders ausgeprägt ist das Problem
bei kleineren Galaxien, den Zwerggalaxien.
Seit bald zwei Jahrzehnten haben sich Astrophysiker, Teilchenphysiker und
Astronomen bemüht, diese "kalte-Dunkle-Materie-Katastrophe", wie der Widerspruch
von Fachleuten auch genannt wird, aufzulösen und ein Erklärungsmodell für das
unterschiedliche Verhalten der dunklen Materie in unterschiedlichen
Größenordnungen zu finden.
Alle Erklärungsversuche sind bis jetzt gescheitert oder führten zu weiteren
unlösbaren Widersprüchen. Eine internationale Forschungsgruppe, darunter auch
Professor Lucio Mayer von der Universität Zürich als einer der drei
wissenschaftlichen Leiter, glaubt nun, mit einer aufwändigen Simulation das
Rätsel gelöst zu haben. Mayer und seine Kollegen simulierten die Entstehung von
scheibenförmigen Zwerggalaxien. Anders als ihre Vorgänger konzentrierten sie
sich dabei nicht allein auf das durch die Gravitation gesteuerte Verhalten der
kalten Dunklen Materie, sondern betrachteten erstmals auch das hochkomplexe
Verhalten der baryonischen Materie, wie die normale, sichtbare Materie auch
genannt wird.
Dunkle Materie macht in einer Galaxie mit 83 Prozent zwar den Löwenanteil
aus, wird aber, wie die Wissenschaftler jetzt in einem Fachartikel in Nature
berichten, von der baryonischen Materie ebenfalls beeinflusst. Dank hoch
auflösenden Simulationen, die den Einsatz von verschiedenen Supercomputern,
darunter eines NASA-Supercomputers erforderten, konnten Mayer und seine Kollegen
im Modell nachweisen, dass bei einer Supernova-Explosion nicht nur Gase, sondern
auch kalte Dunkle Materie aus dem Zentrum der Galaxie geschleudert werden.
Bei Supernova-Explosionen werden mit einem Schlag große Mengen an normaler,
sichtbarer Materie aus dem Zentrum der Galaxie entfernt: Dies führt dazu, dass
sich die Dunkle Materie stärker ausdehnt, ihre Dichte abnimmt und sich folglich
die Rotationsgeschwindigkeit der Zwerggalaxie verringert. Damit entsprechen sich
erstmals mit dem CDM-Modell simulierte und natürliche Zwerggalaxien – der
scheinbare Widerspruch zum Modell ist somit aufgelöst und die
"kalte-Dunkle-Materie-Katastrophe" erklärbar geworden.
Die neuen Erkenntnisse werden Konsequenzen für die Teilchenphysik und einige
der Methoden haben, die verwendet werden, um Dunkle Materie-Partikel zu
detektieren. So beruht etwa der Ansatz, Dunkle Materie-Partikel mittels ihrer
Zerstrahlung in Gammastrahlung nachzuweisen, auf der Dichte der Dunklen Materie
im Zentrum von Galaxien. Die Simulation sagt nun aber im Zentrum von Galaxien
eine wesentlich geringere Dichte an Kalter Dunkler Materie voraus als bisher
angenommen. Die erwarteten Strahlungssignale dürften deshalb deutlich schwächer
als erwartet ausfallen und entsprechend weitaus sensiblere Detektoren erfordern.
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