Eine zusammengesetzte Ansicht der prächtigen Galaxie Centaurus A, der der Milchstraße am nächsten gelegenen aktiven Galaxie. Es wurden 16 Satellitengalaxien um diese Galaxie herum vermessen, von denen 14 scheinbar in einer mitrotierenden Ebene liegen, was der naiven Erwartung kalter Simulationen dunkler Materie widerspricht. Bildnachweis: ESO / WFI (optisch); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Submillimeter); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Röntgen).

Satellitengalaxien leben in der gleichen Ebene wie ihre Wirte und trotzen Vorhersagen der Dunklen Materie

Aber ist das wirklich ein Problem für die Theorie? Oder ist es Physik zur Rettung?

Dunkle Materie ist eine der mächtigsten und zugleich umstrittensten Ideen der modernen Physik. Wir sehen unbestreitbare Beweise dafür, dass die normale Materie im Universum, die aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht, nicht die gesamte Palette der Gravitationseffekte für sich allein erklären kann. Das Hinzufügen einer zusätzlichen Massequelle mit bestimmten Eigenschaften, d. H. Dunkler Materie, bringt fast alle Vorhersagen der Gravitation in Einklang mit dem, was wir sehen. Eine der Vorhersagen der Dunklen Materie ist jedoch, dass sich kleine, zwergartige Satellitengalaxien in einem großen Lichthof um große Galaxien bilden sollten. Doch um die Milchstraße leben Andromeda und jetzt Centaurus A nicht in einem Heiligenschein, sondern in einer Scheibe. Die Forscher, die die jüngste Studie durchgeführt haben, behaupten, dies sei eine große Herausforderung für das Standardbild der Kosmologie der kalten dunklen Materie (CDM). Aber ist es das wirklich? Um dies herauszufinden, ist ein genauer Blick erforderlich.

Ein detaillierter Blick auf das Universum zeigt, dass es aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, dass dunkle Materie und dunkle Energie benötigt werden und dass wir den Ursprung dieser Mysterien nicht kennen. Bildnachweis: Chris Blake und Sam Moorfield.

Wenn Sie eine Theorie haben, die überzeugend und einfach ist und eine Vielzahl von Problemen löst, deren fundamentale Vorhersage jedoch nur indirekt erkannt werden kann, muss sie Neinsager enthalten. Zum Beispiel erklärt die kosmische Inflation den Ursprung unseres Universums, aber nur seine verbleibenden Auswirkungen sind heute zu sehen. Dunkle Energie erklärt die beschleunigte Expansion des Universums perfekt, aber es gibt keinen bekannten Weg, die zugrunde liegende Ursache zu untersuchen. Und dunkle Materie erklärt frustrierend eine ganze Reihe kosmologischer Beobachtungen, von der Dynamik einzelner Galaxien über das großflächige kosmische Netz bis hin zu den Schwankungen im übrig gebliebenen Glühen des Urknalls. Aber niemand hat jemals ein Teilchen der Dunklen Materie direkt entdeckt. Wahrscheinlich kommt niemandem nahe. Dies bedeutet jedoch nicht, dass dunkle Materie nicht real ist. Das bedeutet, dass wir bei unseren Analysen äußerst vorsichtig sein müssen.

Gemäß Modellen und Simulationen sollten alle Galaxien in Halos aus dunkler Materie eingebettet sein, deren Dichte ihren Höhepunkt in den galaktischen Zentren hat. Es wird jedoch erwartet, dass eine große Anzahl von Sub-Halo-Klumpen vorhanden ist, in denen sich Miniaturgalaxien verstecken. Ihre Verteilung sollte haloartig und nicht festplattenartig sein. Bildnachweis: NASA, ESA und T. Brown und J. Tumlinson (STScI).

Das Problem der Satellitengalaxie ist ein echtes Rätsel, da es sich um eine Menge komplizierter Physik handelt. Wenn Sie eine Dunkle-Materie-Simulation ausführen, ist dies eine universelle Funktion, mit der Sie im Laufe der Zeit große Halos dunkler Materie aufbauen, die sich entsprechend der großen Spirale und der elliptischen Galaxie, die wir heute kennen, miteinander verbinden. Aber um sie herum befinden sich kleinere Sub-Halos, die in Simulationen in allen Orientierungen um die größere Galaxie herum auftreten. In der Praxis erscheinen die kleinen Satellitengalaxien, die wir tatsächlich sehen, in einer Ebene: der gleichen Umlaufbahn, in der sich die Scheibe der Hauptgalaxie befindet.

Die im Orbit um die Centaurus A-Galaxie gefundenen Zwerggalaxien weisen eine klare Orientierung in der Ebene der Galaxie auf, was für CDM-Theorien eine Herausforderung darstellt. Bildnachweis: O. Müller et al., Science 359, 6375 (2018).

Während die naive Erwartung ist, dass diese Zwerggalaxien auch zufällige Bewegungen zeigen, zeigt das, was wir beobachten, aussagekräftige Beweise, dass diese Satelliten sich mit der Hauptgalaxie selbst gemeinsam drehen. Dies wurde zuerst für die Milchstraße und Andromeda gefunden, und neue Forschungen deuten darauf hin, dass dies auch für Centaurus A gilt. 14 der 16 entdeckten Satellitengalaxien scheinen sich zusammen mit der Zentralgalaxie zu drehen.

Entweder versteckt etwas diese Lichthöfe, etwas stimmt nicht mit den Simulationen, oder etwas ist nicht vollständig durch die Dunkle Materie erklärt. Schauen wir uns die einzelnen Möglichkeiten an.

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. Bildnachweis: Marla Geha und Keck Observatories.

1.) Diese Lichthöfe sind echt, aber die außerhalb der Scheibe befindlichen Zwergsatelliten sind zu schwer zu erkennen. Das fehlende Satellitenproblem ist in der Kosmologie seit langem bekannt, da Simulationen von CDM seit langem weit mehr Zwerggalaxien um große Galaxien herum erkennen lassen, als wir entdeckt haben. In letzter Zeit wurde eine beträchtliche Anzahl von ultraschwachen Zwerggalaxien gefunden, die sich größtenteils in der Nähe befinden. Sie sind schwächer als die offenen Sternhaufen in der Milchstraße. Viele enthalten nur Hunderte von Sternen, trotz der Massen dunkler Materie in den Hunderttausenden von Sonnenmassen. Dies erklärt das Orientierungsproblem jedoch nicht vollständig, da die Ebene real zu sein scheint.

Darüber hinaus sollte das Argument, dass diese Zwerge versteckt wären, nur für die Milchstraße gelten, da nur ihr Flugzeug Satelliten verdecken wird. Die Beobachtung der Satelliten von Centaurus A und Andromeda scheint dies zur Ruhe zu bringen. Es gibt Argumente dafür, ob alle beobachteten Ebenen über lange Zeiträume dynamisch stabil sind, aber es scheint nicht, dass die kleinen, fehlenden Zwerge die unerwartete planare Ausrichtung erklären können.

Großprojektion durch das Illustris-Volumen bei z = 0, zentriert auf den massereichsten Cluster, 15 Mpc / h tief. Zeigt die Dichte der dunklen Materie (links) im Übergang zur Gasdichte (rechts). Die großräumige Struktur des Universums kann nicht ohne Dunkle Materie erklärt werden, obwohl viele modifizierte Gravitationsversuche existieren. Kleinere Strukturen bereiten jedoch häufig Probleme bei der Simulation von Dunkler Materie. Bildnachweis: Illustris Collaboration / Illustris Simulation.

2.) Die Simulationen, die eine haloähnliche Verteilung von Satelliten vorhersagen, sind fehlerhaft. Dies ist eine mögliche Erklärung, die sehr ernst genommen werden sollte. Es gibt eine sehr große Anzahl von Prozessen in der galaktischen Evolution, einschließlich Zusammenschlüssen kleinerer Galaxien, um die größeren aufzubauen, die Materie auf diese Galaxien infallieren, und die Ströme dunkler und normaler Materie entlang kosmischer Filamente. Es ist bekannt, dass diese Filamente als eine Art galaktischer Highway fungieren, der über Milliarden von Jahren kleine Galaxien auf die größeren schleust. Darüber hinaus gibt es Rückkopplungseffekte durch Sternentstehung, und das Zusammenspiel von Gas, Plasma und Strahlung spielt möglicherweise eine Rolle, die in Standard-CDM-Simulationen nicht ausreichend berücksichtigt wird. Die haloartige Verteilung ist schließlich möglicherweise kein generisches Merkmal, wenn all diese anderen physikalischen Effekte berücksichtigt werden.

Im sichtbaren Licht sieht die Galaxie Centaurus A aus wie eine Mischung aus einer von Scheiben dominierten und einer elliptischen Galaxie. Die Beobachtungen der Satelliten, die es umkreisen, stellen jedoch die konventionelle CDM-Erklärung in Frage, unabhängig davon, wie Sie es in Scheiben schneiden. Bildnachweis: Christian Wolf & SkyMapper Team / Australian National University.

3.) Irgendetwas stimmt nicht mit der Vorstellung von Dunkler Materie. Die relative Bedeutung der oben aufgeführten physikalischen Effekte wird jedoch kontrovers diskutiert. Wie die Autoren des neuen Papiers selbst bemerken: „Obwohl wir feststellen, dass die Kinematik der [Centaurus] A-Satelliten wahrscheinlich nicht zufällig auftritt, können wir nicht sofort Rückschlüsse auf ihre Übereinstimmung mit Vorhersagen aus [kalter dunkler Materie] ziehen ] Kosmologie. “Die modernsten Simulationen können nicht reproduzieren, was um Galaxien wie Centaurus A, die Milchstraße und Andromeda beobachtet wird, und die Autoren der vorliegenden Arbeit behaupten, dass diese Spannung daher eine Alternative zur Erklärung der dunklen Materie darstellt. Wie von den Autoren vorgeschlagen, ist es außerordentlich gut möglich, dass diese Satelliten aus einem historischen Zusammenschluss zweier Galaxien vergleichbarer Größe hervorgehen. Auch dies ist eine viel diskutierte, aber interessante Möglichkeit.

Galaxienfusionen sind weit verbreitet, und mit der Zeit verschmelzen alle gravitativ gebundenen Galaxien in Gruppen und Clustern zu einer einzigen Galaxie im Kern jeder gebundenen Struktur. Wenn es zu größeren Fusionen kommt, ist das Ergebnis oft eine riesige Ellipse, aber niemand ist sich sicher, was bei Zwergsatelliten-Galaxien passiert. Bildnachweis: A. Gai-Yam / Weizmann Inst. der Wissenschaft / ESA / NASA.

Für jede Perspektive gibt es einige Belege, aber es ist ziemlich klar, dass die Vorhersage einer haloartigen Verteilung aller außer den kleinsten Satelliten nicht das ist, was das Universum uns gibt. Für drei große Galaxien - die Milchstraße, Andromeda und Centaurus A - scheinen die Beobachtungsdaten zu zeigen, dass zwergartige Satellitengalaxien in einer Ebene erscheinen, die diese großen Galaxien umgibt. Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass diese Zwerggalaxien zusammen mit der Rotation der großen Galaxie in Bewegung sind. Wenn Sie sich das nahegelegene Universum ansehen, spielt jedoch ein wichtiger Faktor eine Rolle: Es gibt auch lokale Materieströme, sowohl normal als auch dunkel, auf diese Galaxien. Wenn es eine Vorzugsrichtung dafür gibt, wie Materie in diese Galaxien fällt, sollte es eine Vorzugsrichtung für die Zwergsatelliten geben, die an sie gebunden werden.

Die Abbildung zeigt den aktuellen Strom von Galaxien - den Fluss entlang der kosmischen Schnellstraße und auf der Brücke zur Jungfrau in der Region um die Milchstraße, Andromeda und Centaurus A. Bildnachweis: „Ebenen der Satellitengalaxien und das kosmische Netz , Noam Libeskind et al., 2015.

Im Jahr 2015 entdeckte ein Team um Noam Libeskind genau diesen Effekt. "Dies ist das erste Mal, dass wir beobachteten, dass große Super-Highways aus Filamenten Zwerggalaxien über prächtige Brücken aus dunkler Materie durch den Kosmos leiten", sagte Libeskind zu der Zeit. Jetzt, fast drei Jahre später, wird das Bild mit noch genaueren Daten bestätigt. Es gibt keine zusätzlichen Hinweise darauf, dass Dunkle Materie mehr oder weniger wahrscheinlich ist als zuvor in dieser neuen Studie. Nichtsdestotrotz steht das aktuelle Team CDM insgesamt skeptischer gegenüber und ist eher geneigt, nach alternativen Erklärungen für die Entstehung der In-Plane-Satelliten zu suchen, z. B. nach größeren Fusionen.

Vier kollidierende Galaxienhaufen, die die Trennung zwischen Röntgenstrahlen (pink) und Gravitation (blau) zeigen, was auf dunkle Materie hindeutet. Im großen Maßstab ist CDM notwendig, aber im kleinen Maßstab ist es nicht so erfolgreich, wie wir es möchten. Bildnachweis: Röntgen: NASA / CXC / UVic / A. Mahdavi et al. Optisch / Linse: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (oben links); Röntgen: NASA / CXC / UCDavis / W. Dawson et al .; Optisch: NASA / STScI / UCDavis / W. Dawson et al. (oben rechts); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Mailand, Italien) / CFHTLS (unten links); Röntgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universität von Kalifornien, Santa Barbara) und S. Allen (Stanford University) (rechts unten).

In einem Interview mit Studienkoautor Marcel Pawlowski von der University of California, Irvine, erzählte er Folgendes:

„Im großen Stil ist [CDM] wirklich erfolgreich. Ich denke, dass wir im Allgemeinen in unseren Ansätzen vielfältiger werden sollten. MOND hingegen ist sehr erfolgreich darin, kleinräumige Dynamiken vorherzusagen. Ich bin sehr gespannt auf die Möglichkeiten, die die Erfolge beider verbinden. Superfluide Dunkle Materie ist eine solche interessante Möglichkeit, die Ihnen die großen Erfolge der Dunklen Materie beschert, aber auch einen MOND-Effekt auf kleinen Skalen reproduziert. Ich denke, wir sollten diese Möglichkeiten weiter fördern und untersuchen. Ich denke nicht, dass wir auf irgendetwas verzichten sollten, aber ich denke, dass das Feld diese alternativen Ansätze verfolgen sollte. "

Genau wie die Entdeckung, dass schwere Elemente in Sternen statt im frühen Universum hergestellt wurden, den Urknall jedoch nicht ungültig machte, ist es möglich, dass zwei konkurrierende Perspektiven richtig sind. Es ist möglich, dass baryonische, galaxienerzeugende Materie über die Filamentwege auf Galaxien fließt, dass CDM für die großräumige Struktur und die Merkmale des Universums verantwortlich ist und dass diese Zwergsatelliten aus den großen Fusionen selbst und nicht aus den Vorhersagen hervorgehen von CDM. Wäre dies jedoch der Fall, würden wir voll und ganz erwarten, dass die "Splashback" -Galaxien von Baryonen dominiert werden und nicht von dunkler Materie. Interessanterweise zeigen Zwergsatellitengalaxien eine Mischung: In einigen Fällen stimmen die Ergebnisse mit der Vorhersage von CDM-Halos überein, in anderen scheinen CDM-Vorhersagen die Masse der dunklen Materie grob zu überschätzen. Ein einheitliches Modell, das die gesamte Reihe von Beobachtungen berücksichtigt, entgeht uns immer noch.

Verschiedene Standbilder aus einer Simulation der Verschmelzung der Milchstraße und der Andromeda-Galaxien. Wenn eine größere Verschmelzung wie diese stattfindet, kann es vorkommen, dass eine große Menge von Trümmern auf den Boden geschleudert wird und Satellitengalaxien entstehen, die von normaler Materie dominiert werden. Bildnachweis: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas und A. Mellinger.

Also, wer ist richtig? Da Simulationen zusätzliche Dynamiken wie Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie, Strahlung und normaler Materie, Sternentstehungsrückkopplung, lokale Geschwindigkeitseffekte und mehr besser einbeziehen können, stimmen sie besser mit den Beobachtungen überein, sind jedoch noch nicht perfekt und mit Sicherheit nicht universell. Andererseits weisen Alternativen zur Dunklen Materie immer noch dieselben Fehler auf, wenn sie versuchen, das kosmische Netz, den kosmischen Mikrowellenhintergrund oder die Dynamik kollidierender Galaxienhaufen zu reproduzieren. Es ist jedoch wichtig, offen zu bleiben, solange die Beweise für das Rauchen von Waffen für CDM fehlen. Denken Sie auch daran, dass dies ein Rätsel ist, das mehr über die Galaxienentwicklung und Fusionen aussagt als über die Dunkle Materie. Wie Michael Boylan-Kolchin sagt: "Die Ergebnisse können entweder zu einem besseren Verständnis der Galaxienbildung innerhalb des Modells [kalte dunkle Materie] oder zu einem Versuch führen, die zugrunde liegenden Annahmen zu stürzen."

Die Dunkle Materie ist aufgrund ihrer Erfolge auf allen Ebenen zumindest vorerst nicht mehr wegzudenken. Die Entstehung und Entwicklung von Galaxien, insbesondere in immer kleineren Maßstäben, wird jedoch auch in den kommenden Jahren ein aktives Forschungsgebiet mit vielen ungelösten Rätseln bleiben.

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.