Die Bildung einer kosmischen Struktur sowohl auf großen als auch auf kleinen Skalen hängt stark davon ab, wie dunkle Materie und normale Materie interagieren. Trotz der indirekten Beweise für dunkle Materie würden wir sie gerne direkt erkennen können. Dies kann nur geschehen, wenn zwischen normaler Materie und dunkler Materie ein Querschnitt ungleich Null besteht. (ILLUSTRIS-ZUSAMMENARBEIT / ILLUSTRIS-SIMULATION)

Kalte dunkle Materie wird von Sternen erhitzt, obwohl sie sie nicht "fühlen" kann

Wenn dunkle Materie nicht mit normaler Materie oder Licht interagiert, wie kann sie dann erwärmt werden?

Eines der großen kosmischen Geheimnisse unserer Zeit ist die Anwesenheit und Existenz dunkler Materie. Im Gegensatz zu normaler Materie, die aus bekannten Partikeln besteht, die Licht und die anderen bekannten Partikel emittieren, absorbieren oder auf andere Weise mit ihnen interagieren können, passiert dunkle Materie einfach sowohl sich selbst als auch alles andere. Soweit wir das beurteilen können, ist es bis auf einen Effekt völlig unsichtbar: Es scheint eine Gravitationsmasse zu haben. Es beeinflusst die Krümmung der Raumzeit und hält Galaxien, Galaxienhaufen und das große kosmische Netz zusammen.

Wenn wir unsere Simulationen ausführen, erhalten wir jedoch sehr spezifische Vorhersagen für die Strukturen, die dunkle Materie bilden sollte. Das kosmische Netz richtet sich aus, die kleineren galaktischen Skalen jedoch nicht. Lange als das größte Problem für kalte dunkle Materie angepriesen, haben Wissenschaftler die Lösung aufgedeckt: Dunkle Materie wird von Sternen erwärmt. Hier ist die Geschichte, wie das passiert.

Bei den hohen Temperaturen, die im sehr jungen Universum erreicht werden, können nicht nur Partikel und Photonen spontan erzeugt werden, wenn genügend Energie vorhanden ist, sondern auch Antiteilchen und instabile Teilchen, was zu einer ursprünglichen Partikel-Antiteilchen-Suppe führt. Obwohl normale Materie- und Antimaterieteilchen mit sich selbst und mit Strahlung kollidieren können, sollten dunkle Materieteilchen einfach ohne Wechselwirkung durcheinander gehen. (BROOKHAVEN NATIONAL LABOR)

Stellen Sie sich das Universum so vor, wie es in den frühesten Stadien nach dem Urknall gewesen sein könnte. Es ist heiß, dicht und voller Materie und Strahlung. Nur gibt es anstelle der Teilchen, an die Sie ausschließlich denken könnten - zum Beispiel die subatomaren Teilchen, aus denen Atome bestehen - fünfmal so viel dunkle Materie. Zu diesen frühen Zeiten zerschlagen Teilchen normaler Materie ineinander und in Photonen, aber dunkle Materie passiert alles und weigert sich zu kollidieren.

Es ist, als ob dunkle Materie zu 100% durchlässig ist: normale Materie passiert sie, Antimaterie passiert sie, Photonen passieren sie, sogar andere dunkle Materieteilchen passieren sie. Nur weil dunkle Materie kalt ist oder sich im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit sehr langsam bewegt, kann sie sich schließlich zu Gravitationsklumpen zusammenlagern. Mit der Zeit tut es genau das und zieht die normale Materie in die Gravitationsbrunnen, die sie zu frühen Zeiten erzeugt hat.

Die Beobachtungen im größten Maßstab im Universum, vom kosmischen Mikrowellenhintergrund über das kosmische Netz über Galaxienhaufen bis hin zu einzelnen Galaxien, erfordern alle dunkle Materie, um zu erklären, was wir beobachten. Die großräumige Struktur erfordert es, aber die Keime dieser Struktur aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund erfordern es auch. (CHRIS BLAKE UND SAM MOORFIELD)

Wir haben also ein Universum, das mit Regionen des Raums bevölkert ist, die kugelförmige Materieverteilungen enthalten: sowohl normale als auch dunkle. Mit der Zeit kollidiert die normale Materie mit anderen Partikeln der normalen Materie und haftet zusammen, bildet Moleküle, Gaswolken und setzt Strahlung frei. Die normale atombasierte Materie sinkt in die Mitte jeder solchen Region, wo sie typischerweise eine rotierende, scheibenartige Form bildet: das, was wir als Galaxie kennen.

In der Zwischenzeit ist die Dunkle Materie nicht in der Lage, so etwas zu tun. Es verbleibt in einem großen, diffusen Lichthof, der die Galaxie selbst umgibt. Dies sollte unabhängig von der Größe oder dem Maßstab der Galaxie sein, wie Simulationen zeigen. Unabhängig davon, wie massereich die gesamte Galaxie ist, sollte sich über der Scheibe selbst ein Lichthof aus dunkler Materie befinden, der sich um den Faktor zehn oder mehr in den Weltraum erstreckt. Dies gilt für Milchstraßengroße Galaxien, größere und sogar winzige Zwerggalaxien.

Nach Modellen und Simulationen sollten alle Galaxien in Halos aus dunkler Materie eingebettet sein, deren Dichte an den galaktischen Zentren ihren Höhepunkt erreicht. Auf ausreichend langen Zeitskalen von vielleicht einer Milliarde Jahren wird ein einzelnes Teilchen der dunklen Materie am Rande des Halos eine Umlaufbahn vollenden. Die Auswirkungen von Gas, Rückkopplung, Sternentstehung, Supernovae und Strahlung erschweren diese Umgebung und machen es äußerst schwierig, universelle Vorhersagen der Dunklen Materie zu extrahieren (NASA, ESA UND T. BROWN UND J. TUMLINSON (STSCI)).

Dies ist das Standardbild: eines, das seit mehr als 20 Jahren ein Eckpfeiler der modernen Astrophysik ist. Kürzlich haben Beobachtungen von Zwerggalaxien - Galaxien zwischen 0,1% und 1% so massereich wie unsere eigene Galaxie - gezeigt, dass diese Idee eines universellen Profils der Dunklen Materie nicht sehr gut zu den Daten passt. Insbesondere zeigen viele dieser Galaxien Hinweise darauf, dass sich im Inneren dieser Galaxien oder in ihren zentralen Kernen weniger dunkle Materie befindet, als diese Simulationen vorhersagen.

Wenn wir unsere Simulationen einer Galaxie nur mit dunkler Materie durchführen, kann dies nicht der Fall sein. Aber wenn wir nehmen, was wir bereits wissen:

  • dass dunkle Materie nicht mit sich selbst oder normaler Materie oder Strahlung interagiert,
  • diese normale Materie kann mit sich selbst und mit Strahlung interagieren, aber nicht mit dunkler Materie.
  • und dass normale Materie und dunkle Materie durch die Gravitationskraft kommunizieren können,

Eine mögliche Lösung scheint sich zu ergeben.

In der Gesamtheit der Zwerggalaxien Segue 1 und Segue 3 mit einer Gravitationsmasse von 600.000 Sonnen sind nur ungefähr 1000 Sterne vorhanden. Hier sind die Sterne des Zwergsatelliten Segue 1 eingekreist. Wenn neue Forschungen korrekt sind, wird die Dunkle Materie einer anderen Verteilung folgen, je nachdem, wie die Sternentstehung sie im Laufe der Geschichte der Galaxie erhitzt hat. (MARLA GEHA UND KECK BEOBACHTUNGEN)

Die Art, darüber nachzudenken, besteht darin, zu visualisieren, was mit der normalen Materie im Zentrum dieser Galaxie passiert, wenn sie eine große Anzahl neuer Sterne bildet. Das vorhandene Gas zieht sich zusammen, erzeugt neue Sterne mit einer Vielzahl von Massen und erfährt Strahlung, die von den jungen Sternen ausgeht, die sich kürzlich dort gebildet haben.

Es sind die heißesten und massereichsten Sterne, die die meiste Strahlung emittieren, und diese Sterne emittieren auch Materieteilchen. Diese Sternwinde drücken Gas und Staub vom Zentrum der Galaxie weg und geben ihr einen Schub an kinetischer Energie. All diese normale Materie hatte sich im Kern der Galaxie konzentriert, und dieser neue, wichtige Ausbruch der Sternentstehung hat dazu beigetragen, sie wegzuschieben. Das Zentrum der Galaxie hat jetzt weniger Materie - also normale Materie - als zuvor.

Galaxien, die massiven Sternentstehungsschüben ausgesetzt sind, können sogar viel größere, typische Galaxien überstrahlen. M82, die Zigarrengalaxie, interagiert gravitativ mit seinem Nachbarn (nicht abgebildet) und verursacht diesen Ausbruch einer aktiven, neuen Sternentstehung, die Gas aus seiner zentralen Region ausstößt. Die Auswirkungen der Sternwinde sind deutlich in Rot sichtbar (NASA, ESA UND DAS HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA)).

Was passiert als nächstes?

Denken Sie darüber nach, was mit den Planeten im Sonnensystem passieren würde, wenn Sie eine große Menge Masse von der Sonne entfernen würden. Es ist diese große, zentrale Masse, die sie in ihren stabilen, fast kreisförmigen Bahnen hält. Wenn die Masse zunahm, würden sie sich nach innen drehen; Wenn die Masse abnehmen würde, würden sie sich nach außen drehen.

Wenn Galaxien Sterne bilden, ist es so, als ob die zentrale Region an Masse verliert, was dazu führt, dass die gesamte Materie um sie herum eine geringere Anziehungskraft spürt. Ja, die normale Materie wird aufgrund von Strahlung, Wind und Druck ausgestoßen. Sobald dies jedoch vom Zentrum weg ist, hat die gesamte vorhandene Materie - sowohl normal als auch dunkel - eine geringere Anziehungskraft, um sie an Ort und Stelle zu halten. Die einzige Möglichkeit besteht darin, sich in eine höhere, weniger eng gebundene Umlaufbahn zu bewegen.

In jedem umlaufenden System ist es der Wert der zentralen inneren Masse, der Objekte in einer konstanten elliptischen Umlaufbahn hält. Wenn die Masse in der Mitte abnimmt, werden die Bahnen der Partikel im Inneren in immer größeren Abständen nach außen gewunden, was sich weiter auf die Masse in den zentralen Regionen auswirkt. (AMANDA SMITH, UNIVERSITY OF CAMBRIDGE)

Dieser Effekt wird als "Erwärmung der dunklen Materie" bezeichnet. Es ist nicht so, dass die Strahlung der Sterne oder die Wärme der normalen Materie auf die dunkle Materie selbst übertragen wird. Es geht nicht direkt um Temperatur- oder Energieübertragung.

Stattdessen geschieht es, dass die zusätzliche Energie, die der normalen Materie verliehen wird, sie dort ausstößt, wo sie zuvor am konzentriertesten war: im galaktischen Zentrum. Sobald diese normale Materie aus dem galaktischen Zentrum entfernt ist, gibt es dort weniger Masse, um die dunkle Materie an Ort und Stelle zu halten, und sie muss sich ebenfalls in eine höhere, weniger eng gebundene Umlaufbahn bewegen. Da die dunkle Materie herausgedrückt und in eine höhere, energiereichere Umlaufbahn gebracht wird, hat sie die gleichen Auswirkungen, als ob der dunklen Materie ein zusätzlicher Energieschub verliehen worden wäre. Es ist nicht wirklich heißer als vorher, aber die Effekte sind identisch.

Eine enorme sternbildende Region in der Zwerggalaxie UGCA 281, wie sie Hubble im sichtbaren und im ultravioletten Bereich im Rahmen der LEGUS-Untersuchung abgebildet hat. Das blaue Licht ist Sternenlicht von heißen, jungen Sternen, die vom neutralen Hintergrundgas reflektiert werden, während die hellsten Flecken die größte Emission von UV-Licht anzeigen. Die roten Anteile weisen jedoch auf ionisiertes Wasserstoffgas hin, das ein charakteristisches rotes Leuchten abgibt, wenn sich Elektronen mit den freien Protonen verbinden. Das Gas wird aufgrund der Sternwinde der heißesten jungen Sterne aus dieser Region ausgestoßen. (NASA, ESA UND DAS LEGUS TEAM)

Während ihrer Lebensdauer erfahren Galaxien aller Art mehrere Gaszyklen, die in die zentralen Regionen hinein und aus diesen heraus strömen. Wenn die Gaskonzentrationen ein sehr hohes Niveau erreichen, kann dies eine neue Sternentstehung auslösen. Wenn die Gaskonzentrationen ein niedriges Niveau erreichen, ist eine neue Sternentstehung unmöglich.

Was bedeutet das für die Zwerggalaxien, die Sie tatsächlich finden würden, wenn diese Idee richtig ist?

Dies bedeutet, dass die dunkle Materie im Kern nicht sehr stark erwärmt worden wäre, wenn eine Galaxie nur wenige kleine Ausbrüche der zentralen Sternentstehung gehabt hätte. Das meiste davon wäre noch vorhanden. Man würde einen relativ hohen Wert an dunkler Materie in den Zentren von Zwerggalaxien erwarten, in deren Zentren nur sehr wenig Sternentstehung stattgefunden hat.

Zwerggalaxie NGC 5477 ist eine von vielen unregelmäßigen Zwerggalaxien. Die blauen Regionen weisen auf eine neue Sternentstehung hin, aber viele solcher Galaxien haben in vielen Milliarden Jahren keine neuen Sterne gebildet. Wenn die Idee der Erwärmung der Dunklen Materie richtig ist, würden Sie erwarten, dass die Massenprofile für Zwerggalaxien basierend auf ihrer gesamten Sternentstehungsgeschichte unterschiedlich aussehen. (ESA / HUBBLE UND NASA)

Wenn eine Galaxie im Laufe ihrer Geschichte große Mengen an Sternen gebildet hätte, würde man stattdessen erwarten, dass das Gas und die Materie in der Nähe des Zentrums der Galaxie weitgehend ausgestoßen werden, was die dunkle Materie in höhere Umlaufbahnen treibt und das abgeleitete Massenprofil ändert der Galaxie. Praktisch alle Galaxien hatten in den ersten Milliarden Jahren Starburst-Phasen, aber die am wenigsten aktiven waren in den darauf folgenden Milliarden von Jahren ruhig. Mit anderen Worten, eine reiche Geschichte der jüngsten Sternentstehung sollte zu einem Kern aus dunkler Materie mit geringer Masse in Zwerggalaxien führen, während nur eine alte Sternentstehung zu Kernen mit höherer Masse führen sollte.

Genau das fand ein Team unter der Leitung von Justin Read in einer neuen Studie, die im Januar veröffentlicht wurde. Laut Dr. Read:

Wir fanden eine wirklich bemerkenswerte Beziehung zwischen der Menge an dunkler Materie in den Zentren dieser winzigen Zwerge und der Menge an Sternentstehung, die sie in ihrem Leben erlebt haben. Die dunkle Materie in den Zentren der sternbildenden Zwerge scheint „erhitzt“ und herausgedrückt worden zu sein.

Es ist ein spektakulärer Fall einer komplexeren Simulation, die ein Phänomen erklärt, das frühere Simulationen, die naivere Annahmen treffen, nicht erklären konnten.

Die Sternentstehung in winzigen Zwerggalaxien kann die dunkle Materie langsam „erwärmen“ und nach außen drücken. Das linke Bild zeigt die Wasserstoffgasdichte einer simulierten Zwerggalaxie von oben gesehen. Das rechte Bild zeigt dasselbe für eine echte Zwerggalaxie, IC 1613. In der Simulation bewirkt ein wiederholter Ein- und Ausfluss von Gas, dass die Gravitationsfeldstärke im Zentrum des Zwergs schwankt. Die dunkle Materie reagiert darauf, indem sie aus dem Zentrum der Galaxie herauswandert, ein Effekt, der als

Traditionell war dunkle Materie die Erklärung für die Phänomene, die wir auf großen kosmischen Skalen beobachtet haben. Es erklärt die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, die großräumige Struktur des Universums und das Verhalten von Clustern und Gruppen von Galaxien auf eine Weise, die keine Alternative kann. Die kleinsten galaktischen Skalen haben sich jedoch für Simulationen der Dunklen Materie als problematisch erwiesen, was viele dazu veranlasste, ihre Gültigkeit in Frage zu stellen.

Diese neue Entdeckung ist ein faszinierender Fall, in dem Theorie und Beobachtung perfekt aufeinander abgestimmt sind, sobald bessere Berechnungen durchgeführt wurden. Es könnte schließlich eines der größten Probleme für die Dunkle Materie lösen: die Erklärung des Verhaltens der kleinsten Galaxien im Universum. Selbst ohne direkte Energieübertragung wird dunkle Materie von der Schwerkraft von allem um sie herum beeinflusst. Wenn die Sternentstehung die Masse bewegt, bewegt sich auch die dunkle Materie. Kalte dunkle Materie wird indirekt von Sternen erwärmt. Endlich verstehen wir wie.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.