SIMULATIONEN
Dunkle Materie auf verschiedenen Skalen
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik
astronews.com
4. September 2020

Was Dunkle Materie ist, weiß man bislang nicht - man kann allerdings beobachten, was Dunkle Materie bewirkt und dies auch in Simulationen entsprechend nachbilden. Nun hat ein internationales Forschungsteam neue Simulationen vorgestellt, die einen Zoom auf Dunkle-Materie-Halos in dem virtuellen Universum erlauben. Dabei zeigten sich überraschend wenig Unterschiede zwischen den Halos verschiedener Größen.

Dieses Bild zeigt einen Schnitt durch die gesamte Simulation mit mehr als zwei Milliarden Lichtjahren Seitenlänge. Der vergrößerte Ausschnitt zeigt zunächst eine Region mit 700.000 und dann nur 600 Lichtjahre Seitenlänge. Die größten Klumpen im Hauptbild entsprechen großen Galaxienhaufen, während die kleinsten Klumpen in der zweiten Vergrößerung eine Masse ähnlich der Erde haben. Bild: MPA   [Großansicht]

Ein Großteil der Materie im Universum ist dunkel und nicht direkt beobachtbar. Ein internationales Forscherteam hat nun die Ergebnisse von Simulationen vorgestellt, bei denen sie mithilfe von Supercomputern in China und Europa in eine typische Region eines virtuellen Universums hineinzoomen. Dieser Zoom umfasst eine noch nie dagewesene Detailschärfe, vergleichbar mit einer Vergrößerung, um einen Floh auf der Oberfläche des Vollmondes zu erkennen. Dadurch konnte das Team detaillierte Bilder von Hunderten virtueller Halos aus Dunkler Materie erstellen, von den allergrößten bis zu den allerkleinsten, die man in unserem Universum finden dürfte.

Dunkle Materie spielt eine wichtige Rolle in der kosmischen Entwicklung. Galaxien sind gewachsen, als sich Gas abkühlte und im Zentrum riesiger Klumpen Dunkler Materie, sogenannten Halos aus Dunkler Materie, kondensierte. Im Laufe der kosmischen Entwicklung entkoppelten die Halos von der Hintergrundexpansion des Universums infolge der Anziehungskraft ihrer eigenen Dunklen Materie. Astronomen können aus den Eigenschaften der Galaxien und ihrem Gas auf die Struktur großer Halos aus Dunkler Materie schließen, aber sie haben keine Informationen über Halos, die zu klein sind, um eine Galaxie zu enthalten.

Die größten Halos aus Dunkler Materie im heutigen Universum enthalten riesige Galaxienhaufen, Ansammlungen von Hunderten von hellen Galaxien. Ihre Eigenschaften sind gut untersucht, und sie wiegen über eine Billiarde Mal so viel wie unsere Sonne. Andererseits sind die Massen der kleinsten Halos aus Dunkler Materie unbekannt. Die Theorie der Dunklen Materie, die dem neuen Supercomputer-Zoom zugrunde liegt, lässt vermuten, dass sie eine Masse ähnlich der Erdmasse haben könnten. Solch kleine Halos wären extrem zahlreich und würden einen beträchtlichen Anteil der gesamten Dunklen Materie im Universum enthalten, allerdings würden sie während der gesamten kosmischen Geschichte dunkel bleiben, weil Sterne und Galaxien nur in Halos wachsen, die mindestens eine Million Mal massereicher sind als die Sonne.

Das Forschungsteam mit Sitz in China, Deutschland, Großbritannien und den USA hat fünf Jahre lang seinen kosmischen Zoom entwickelt, getestet und durchgeführt. Damit konnten sie die Struktur der Halos aus Dunkler Materie mit allen Massen zwischen der Erde und einem großen Galaxienhaufen untersuchen. In Zahlen: Der Zoom deckt einen Massenbereich von 10³⁰ ab (d. h. eine 1 gefolgt von 30 Nullen), was der Anzahl der Kilogramm in der Sonne entspricht.

Überraschenderweise stellten das Team fest, dass alle Halos sehr ähnliche innere Strukturen aufweisen: Sie sind im Zentrum sehr dicht, werden nach außen hin zunehmend diffuser und in ihren äußeren Regionen gibt es kleinere Klumpen, die um die Halos kreisen. Ohne einen Maßstab ist es fast unmöglich, das Bild eines Dunkle-Materie-Halos einer massereichen Galaxie von einem Halo mit weniger als einer Sonnenmasse zu unterscheiden.

"Unsere Ergebnisse haben uns wirklich überrascht", sagt Simon White vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. "Jeder dachte, dass die kleinsten Klumpen Dunkler Materie ganz anders aussehen würden als die großen, die wir schon viel besser kennen. Aber als wir nun endlich in der Lage waren, ihre Eigenschaften zu berechnen, sahen sie genau gleich aus."

Das Ergebnis hat auch eine potenzielle praktische Anwendung. Teilchen aus Dunkler Materie könnten nahe den Zentren von Halos kollidieren und sich - einigen Theorien zufolge – gegenseitig vernichten, wobei energiereiche (Gammastrahlung ausgesendet wird. Die neue Zoom-Simulation erlaubt es den Wissenschaftlern zu berechnen, wie stark die zu erwartende Strahlung für Halos unterschiedlicher Masse sein würde.

Ein Großteil dieser Strahlung könnte von Halos aus Dunkler Materie stammen, die zu klein sind, um Sterne zu enthalten. Zukünftige Gammastrahlen-Observatorien könnten in der Lage sein, diese Emission nachzuweisen und die kleinen Objekte einzeln oder in der Summe "sichtbar" zu machen. Dies würde die vermutete Natur der Dunklen Materie bestätigen, die vielleicht doch nicht ganz dunkel ist.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature erschienen ist.