Die Bildung einer kosmischen Struktur sowohl auf großer als auch auf kleiner Ebene hängt stark davon ab, wie dunkle Materie und normale Materie interagieren. Trotz der indirekten Beweise für dunkle Materie würden wir es lieben, sie direkt erfassen zu können, was nur passieren kann, wenn es einen Querschnitt ungleich Null zwischen normaler Materie und dunkler Materie gibt. (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 erwärmt werden?

Eines der großen kosmischen Geheimnisse unserer Zeit ist die Gegenwart 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 damit interagieren können, passiert dunkle Materie einfach sowohl sich selbst als auch alles andere. Soweit wir das beurteilen können, ist es völlig unsichtbar, abgesehen von einem Effekt: 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 reiht sich aneinander, die kleineren galaktischen Skalen jedoch nicht. Lange Zeit als das größte Problem für kalte dunkle Materie angepriesen, haben Wissenschaftler die Lösung aufgedeckt: Dunkle Materie wird von Sternen erhitzt. Hier ist die Geschichte, wie das passiert.

Bei den im sehr jungen Universum erreichten hohen Temperaturen können nicht nur Teilchen und Photonen bei ausreichender Energie spontan erzeugt werden, sondern auch Antiteilchen und instabile Teilchen, was zu einer primordialen Teilchen-und-Antiteilchen-Suppe führt. Obwohl normale Materie- und Antimaterieteilchen mit sich selbst und mit Strahlung kollidieren können, sollten dunkle Materieteilchen einfach ohne Wechselwirkung durcheinander treten. (BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)

Stellen Sie sich das Universum so vor, wie es sich in den frühesten Stadien nach dem Urknall befunden haben könnte. Es ist heiß, dicht und voller Materie und Strahlung. Anstelle der Partikel, an die Sie vielleicht ausschließlich denken - zum Beispiel an die subatomaren Partikel, aus denen Atome bestehen - gibt es nur fünfmal so viel dunkle Materie. In diesen frühen Zeiten prallen Teilchen normaler Materie ineinander und in Photonen, aber dunkle Materie durchdringt alles und weigert sich, zusammenzustoßen.

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

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

Wir haben es also mit einem Universum zu tun, das mit Regionen des Raums bevölkert ist, die kugelförmige Materieverteilungen enthalten: sowohl normale als auch dunkle. Im Laufe der Zeit kollidiert die normale Materie mit anderen Partikeln der normalen Materie und bleibt zusammen, wobei Moleküle, Gaswolken und Strahlung freigesetzt werden. Die normale, auf Atomen basierende Materie sinkt in die Mitte jeder dieser Regionen, wo sie typischerweise eine rotierende, scheibenartige Form bildet: eine sogenannte Galaxie.

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 groß die gesamte Galaxie ist, sollte sich ein Lichthof aus dunkler Materie um den Faktor zehn oder mehr über der Scheibe selbst in den Weltraum erstrecken. Dies gilt für Milchstraßengalaxien, größere und sogar winzige Zwerggalaxien.

Gemäß Modellen und Simulationen sollten alle Galaxien in Halos aus dunkler Materie eingebettet sein, deren Dichte ihren Höhepunkt in den galaktischen Zentren hat. Auf ausreichend langen Zeitskalen von vielleicht einer Milliarde Jahren wird ein einzelnes Teilchen der dunklen Materie vom Rand des Halos eine Umlaufbahn abschließen. Die Auswirkungen von Gas, Rückkopplung, Sternentstehung, Supernovae und Strahlung erschweren diese Umgebung und machen es extrem schwierig, universelle Vorhersagen der Dunklen Materie zu treffen. (NASA, ESA, 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 Dunklen-Materie-Profils nicht sehr gut zu den Daten passt. Insbesondere zeigen viele dieser Galaxien Hinweise darauf, dass sich im Inneren dieser Galaxien oder in ihren Zentralkernen 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 schon wissen:

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

Eine mögliche Lösung scheint sich abzuzeichnen.

In der Gesamtheit der Zwerggalaxien Segue 1 und Segue 3 mit einer Gravitationsmasse von 600.000 Sonnen sind nur etwa 1000 Sterne vorhanden. Die Sterne des Zwergsatelliten Segue 1 sind hier eingekreist. Wenn neue Forschungsergebnisse korrekt sind, wird die Dunkle Materie eine andere Verteilung aufweisen, je nachdem, wie stark die Sternentstehung in der Geschichte der Galaxie sie erwärmt hat. (MARLA GEHA UND KECK BEOBACHTER)

Die Art, darüber nachzudenken, besteht darin, sich vorzustellen, was mit der normalen Materie im Zentrum dieser Galaxie passiert, wenn sie eine große Anzahl neuer Sterne bildet. Das Gasgeschenk zieht sich zusammen, erzeugt neue Sterne in einer Vielzahl von Massen und fängt an, Strahlung zu erfahren, die von den jungen Sternen ausgeht, die sich in letzter Zeit dort gebildet haben.

Es sind die heißesten und massereichsten Sterne, die die meiste Strahlung abgeben, und diese Sterne geben auch Materieteilchen ab. Diese Sternwinde verdrängen Gas und Staub aus dem Zentrum der Galaxie 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 von sich zu drängen. Das Zentrum der Galaxie hat jetzt weniger Materie - also normale Materie - als zuvor.

Galaxien, die massiven Sternentstehungsschüben ausgesetzt sind, können noch viel größere, typische Galaxien überstrahlen. M82, die Zigarrengalaxie, interagiert gravitativ mit ihrem Nachbarn (nicht abgebildet) und verursacht diesen Ausbruch aktiver neuer Sternentstehung, bei dem Gas aus der zentralen Region ausgestoßen wird. Die Auswirkungen der Sternwinde sind deutlich in Rot zu erkennen. (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, verliert die Zentralregion an Masse, was dazu führt, dass die gesamte Materie um sie herum eine geringere Anziehungskraft verspürt. Ja, die normale Materie wird aufgrund von Strahlung, Wind und Druck ausgestoßen. Sobald das Zentrum verlassen ist, hat die gesamte vorhandene Materie - sowohl normale als auch dunkle - weniger Anziehungskraft, um sie an Ort und Stelle zu halten. Die einzige Möglichkeit besteht darin, sich in eine höhere, weniger eng verbundene Umlaufbahn zu begeben.

In jedem Umlaufsystem ist es der Wert der zentralen inneren Masse, der Objekte in einer konstanten elliptischen Umlaufbahn hält. Wenn die Masse in der Mitte abnimmt, drehen sich die Bahnen der Partikel nach außen, um immer größere Entfernungen zu überwinden, was sich weiter auf die Masse in den zentralen Bereichen auswirkt. (Amanda Smith, Universität Cambridge)

Dieser Effekt wird als "Erhitzen 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 passiert, dass die zusätzliche Energie, die der normalen Materie verliehen wird, sie von dem Ort verdrängt, an dem sie zuvor am konzentriertesten war: im galaktischen Zentrum. Sobald diese normale Materie aus dem galaktischen Zentrum entfernt ist, befindet sich 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, energetischere Umlaufbahn gebracht wird, hat sie die gleichen Auswirkungen, als hätte die dunkle Materie einen zusätzlichen Energieschub erhalten. Es ist nicht wirklich heißer als vorher, aber die Effekte sind identisch.

Eine enorme Sternentstehungsregion in der Zwerggalaxie UGCA 281, wie sie Hubble im sichtbaren und im ultravioletten Bereich im Rahmen der LEGUS-Umfrage 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 sind jedoch ein Hinweis auf ionisiertes Wasserstoffgas, 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)

Galaxien aller Art erfahren im Laufe ihres Lebens mehrere Zyklen von Gas, das in die zentralen Regionen und aus diesen heraus strömt. Wenn die Gaskonzentrationen einen sehr hohen Wert erreichen, kann dies zur Bildung neuer Sterne führen. 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?

Wenn eine Galaxie nur wenige kleine Ausbrüche zentraler Sternentstehung hätte, wäre die dunkle Materie im Kern nicht sehr stark erhitzt worden. Das meiste davon wäre noch vorhanden. Sie erwarten einen relativ hohen Wert dunkler Materie in den Zentren von Zwerggalaxien, in deren Zentren sich in der Vergangenheit kaum Sterne gebildet haben.

Zwerggalaxie NGC 5477 ist eine von vielen unregelmäßigen Zwerggalaxien. Die blauen Regionen weisen auf neue Sternentstehung hin, aber viele solcher Galaxien haben in vielen Milliarden von Jahren keine neuen Sterne gebildet. Wenn die Idee der Erhitzung dunkler Materie richtig ist, ist zu erwarten, dass die Massenprofile für Zwerggalaxien aufgrund 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 würden, wodurch die Dunkle Materie in höhere Bahnen getrieben und das abgeleitete Massenprofil geändert würde der Galaxie. Praktisch alle Galaxien hatten in den ersten paar Milliarden Jahren Sternexplosionsphasen, 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 dunkler Materie mit geringer Masse in Zwerggalaxien führen, während nur die alte Sternentstehung zu Kernen mit höherer Masse führen sollte.

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

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

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

Sternentstehung in winzigen Zwerggalaxien kann die dunkle Materie langsam „aufheizen“ und nach außen drücken. Das linke Bild zeigt die Wasserstoffgasdichte einer simulierten Zwerggalaxie von oben. Das rechte Bild zeigt dasselbe für eine echte Zwerggalaxie, IC 1613. In der Simulation bewirkt ein wiederholtes Ein- und Ausströmen von Gas, dass die Gravitationsfeldstärke im Zentrum des Zwergs schwankt. Die Dunkle Materie reagiert darauf, indem sie aus dem Zentrum der Galaxie auswandert, ein Effekt, der als „Erwärmung der Dunklen Materie“ bekannt ist. (J. I. LESEN, M. G. WALKER & P. ​​STEGER (2019), MNRAS 484, 1)

Traditionell war dunkle Materie die erste Erklärung für die Phänomene, die wir auf großen kosmischen Skalen beobachtet haben. Es erklärt die Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, die großräumige Struktur des Universums und das Verhalten von Galaxienhaufen und -gruppen auf eine Weise, die es nicht anders kann. Die kleinsten galaktischen Skalen haben sich jedoch als problematisch für Simulationen der Dunklen Materie 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 eines der größten Probleme der Dunklen Materie lösen: das Verhalten der kleinsten Galaxien im Universum zu erklären. Auch ohne direkte Energieübertragung wird dunkle Materie durch die 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 erhitzt. Endlich verstehen wir, wie.

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