Eine zusammengesetzte Ansicht der prächtigen Galaxie Centaurus A, der der Milchstraße am nächsten gelegenen aktiven Galaxie. Um diese Galaxie herum wurden 16 Satellitengalaxien gemessen, von denen 14 in einer mitrotierenden Ebene zu liegen scheinen, was der naiven Erwartung von Simulationen mit kalter 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 derselben 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 Reihe der Gravitationseffekte allein erklären kann. Das Hinzufügen einer zusätzlichen Massenquelle mit bestimmten Eigenschaften, dh 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, Andromeda und jetzt Centaurus A herum leben sie nicht in einem Heiligenschein, sondern in einer Scheibe. Die Forscher, die die neueste Studie durchgeführt haben, behaupten, dies sei eine große Herausforderung für das Standardbild der Kosmologie der kalten dunklen Materie (CDM). Aber ist es wirklich so? Das herauszufinden erfordert einen eingehenden Blick.

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

Wann immer Sie eine Theorie haben, die zwingend und einfach ist und eine Vielzahl von Problemen löst, deren fundamentale Vorhersage jedoch nur indirekt erkannt werden kann, muss sie Neinsager haben. Die kosmische Inflation erklärt zum Beispiel den Ursprung unseres Universums, aber heute sind nur noch die übrig gebliebenen Effekte zu sehen. Dunkle Energie erklärt die beschleunigte Expansion des Universums perfekt, aber es ist kein Weg bekannt, die zugrunde liegende Ursache zu untersuchen. Und dunkle Materie erklärt frustrierend eine ganze Reihe kosmologischer Beobachtungen, von der Dynamik einzelner Galaxien über das große kosmische Netz bis zu den Schwankungen des übrig gebliebenen Glühens des Urknalls. Aber niemand hat jemals direkt ein Teilchen der dunklen Materie entdeckt. Wohl kommt niemand in die Nähe. Das heißt aber nicht, dass dunkle Materie nicht real ist. Das bedeutet, dass wir bei unseren Analysen äußerst vorsichtig sein müssen.

Nach Modellen und Simulationen sollten alle Galaxien in Halos aus dunkler Materie eingebettet sein, deren Dichte an den galaktischen Zentren ihren Höhepunkt erreicht. Es wird jedoch erwartet, dass eine große Anzahl von Subhalo-Klumpen vorhanden ist, die Miniaturgalaxien im Inneren verstecken. Ihre Verteilung sollte haloartig und nicht festplattenartig sein. Bildnachweis: NASA, ESA sowie 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 Simulation der Dunklen Materie ausführen, ist dies eine universelle Funktion, mit der Sie im Laufe der Zeit große Lichthöfe aus Dunkler Materie aufbauen, die miteinander verschmelzen und den großen Spiral- und elliptischen Galaxien entsprechen, die wir heute kennen. Um sie herum befinden sich jedoch kleinere Unterhalos, die in Simulationen in allen Orientierungen um die größere Galaxie herum auftreten. In der Praxis zeigen sich die kleinen Satellitengalaxien, die wir tatsächlich sehen, in einer Ebene: der gleichen Orbitalebene, in der sich die Scheibe der Hauptgalaxie befindet.

Die Zwerggalaxien, die sich in der Umlaufbahn um den Centaurus A befinden, zeigen eine klare Ausrichtung in der Ebene der Galaxie, eine Herausforderung für CDM-Theorien. Bildnachweis: O. Muller et al., Science 359, 6375 (2018).

Während die naive Erwartung ist, dass diese Zwerggalaxien auch zufällige Bewegungen zeigen, zeigt das, was wir beobachten, signifikante Beweise dafür, dass diese Satelliten zusammen mit der Hauptgalaxie selbst rotieren. Dies wurde zuerst für die Milchstraße und Andromeda gefunden, und neue Forschungsergebnisse zeigen, 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 wird von der Dunklen Materie nicht vollständig erklärt. Schauen wir uns jede der Möglichkeiten an.

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. Bildnachweis: Marla Geha und Keck Observatorien.

1.) Diese Lichthöfe sind echt, aber die Zwergsatelliten außerhalb der Festplatte sind zu schwer zu erkennen. Das fehlende Satellitenproblem besteht seit langem in der Kosmologie, da Simulationen von CDM seit langem weit mehr Zwerggalaxien um große Galaxien herum anzeigen, als wir entdeckt haben. In letzter Zeit wurde eine beträchtliche Anzahl von extrem schwachen Zwerggalaxien gefunden, hauptsächlich in der Nähe. Sie sind schwächer als selbst die offenen Sternhaufen in der Milchstraße, wobei viele nur Hunderte von Sternen enthalten, trotz der Massen der dunklen Materie in den Hunderttausenden von Sonnenmassen. Dies erklärt jedoch das Orientierungsproblem 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 verdeckt. Die Beobachtung der Satelliten von Centaurus A und Andromeda scheint dies zur Ruhe zu bringen. Es gibt Argumente darüber, 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 dem massereichsten Cluster mit einer Tiefe von 15 Mpc / h. Zeigt die Dichte der dunklen Materie (links) beim Übergang zur Gasdichte (rechts). Die großräumige Struktur des Universums kann nicht ohne dunkle Materie erklärt werden, obwohl es viele modifizierte Schwerkraftversuche gibt. Kleinere Strukturen werfen jedoch häufig Probleme für Simulationen der Dunklen Materie auf. 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 Fusionen kleinerer Galaxien, um die größeren aufzubauen, das Auffallen von Materie auf diese Galaxien und die Ströme dunkler und normaler Materie entlang kosmischer Filamente. Es ist bekannt, dass diese Filamente als eine Art galaktische Autobahn fungieren und über Milliarden von Jahren kleine Galaxien auf die größeren leiten. Darüber hinaus gibt es Rückkopplungseffekte durch Sternentstehung, und das Zusammenspiel von Gas, Plasma und Strahlung kann eine Rolle spielen, die in Standard-CDM-Simulationen nicht gut berücksichtigt wird. Die haloähnliche Verteilung ist 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 sie umkreisen, stellen jedoch die herkömmliche CDM-Erklärung in Frage, unabhängig davon, wie Sie sie 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 heftig 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 Schlussfolgerungen über ihre Übereinstimmung mit Vorhersagen aus [kalter dunkler Materie] ziehen ] Kosmologie. " Die modernsten Simulationen reproduzieren nicht, was um Galaxien wie Centaurus A, die Milchstraße und Andromeda beobachtet wird, und die Autoren des vorliegenden Papiers behaupten, dass diese Spannung daher eine Alternative zur Erklärung der Dunklen Materie bevorzugt. Wie von den Autoren vorgeschlagen, ist es außerordentlich möglich, dass diese Satelliten aus einer historischen großen Fusion zweier Galaxien vergleichbarer Größe hervorgehen. Auch dies ist eine viel diskutierte, aber interessante Möglichkeit.

Galaxienfusionen sind häufig, und im Laufe der Zeit verschmelzen alle gravitativ gebundenen Galaxien in Gruppen und Clustern schließlich zu einer einzigen Galaxie im Kern jeder gebundenen Struktur. Wenn größere Fusionen stattfinden, ist das Ergebnis oft ein riesiger Ellipsentrainer, aber niemand ist sich sicher, was in Bezug auf Zwergsatellitengalaxien passiert. Bildnachweis: A. Gai-Yam / Weizmann Inst. of Science / ESA / NASA.

Jede Perspektive hat einige Belege dafür, aber es ist ziemlich klar, dass die Vorhersage einer haloähnlichen Verteilung aller Satelliten bis auf die kleinsten nicht das ist, was das Universum uns gibt. Für drei große Galaxien - die Milchstraße, Andromeda und Centaurus A - scheinen die Beobachtungsdaten zu zeigen, dass Zwergsatellitengalaxien 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 jedoch das nahe gelegene Universum ansehen, spielt ein wichtiger Faktor eine Rolle: Es gibt auch lokale Materieflüsse, sowohl normale als auch dunkle, 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 Superautobahn und auf der Brücke zur Jungfrau in der Region um die Milchstraße, Andromeda und Centaurus A. Bildnachweis: 'Ebenen der Satellitengalaxien und des kosmischen Netzes , 'Noam Libeskind et al., 2015.

Im Jahr 2015 entdeckte ein Team unter der Leitung von Noam Libeskind genau diesen Effekt. "Dies ist das erste Mal, dass wir beobachten konnten, dass große Filament-Superautobahnen Zwerggalaxien entlang prächtiger Brücken aus dunkler Materie durch den Kosmos leiten", sagte Libeskind zu der Zeit. Jetzt, fast drei Jahre später, wird das Bild mit besseren Daten mit noch größerer Genauigkeit bestätigt. Es gibt keine zusätzlichen Hinweise darauf, dass dunkle Materie mehr oder weniger wahrscheinlich ist als zuvor aus dieser neuen Studie. Dennoch ist dieses derzeitige Team gegenüber CDM insgesamt skeptischer und eher geneigt, nach alternativen Erklärungen für die Entstehung der Satelliten in der Ebene zu suchen, beispielsweise nach größeren Fusionen.

Vier kollidierende Galaxienhaufen, die die Trennung zwischen Röntgenstrahlen (rosa) und Gravitation (blau) zeigen, was auf dunkle Materie hinweist. Im großen Maßstab ist CDM notwendig, aber im kleinen Maßstab ist es allein 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) (unten rechts).

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

„Im großen Maßstab ist [CDM] wirklich erfolgreich. Ich denke, dass wir im Allgemeinen in unseren Ansätzen vielfältiger werden sollten. MOND hingegen ist sehr erfolgreich bei der Vorhersage der Dynamik im kleinen Maßstab. Ich bin sehr gespannt auf die Möglichkeiten, die die Erfolge beider kombinieren. 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 irgendetwas aufgeben sollten, aber ich denke, dass das Feld diese alternativen Ansätze verfolgen sollte. “

Doch genau wie die Entdeckung, dass schwere Elemente in Sternen und nicht im frühen Universum hergestellt wurden, den Urknall nicht ungültig machte, ist es möglich, dass zwei konkurrierende Perspektiven richtig sind. Es ist möglich, dass baryonische, galaxienbildende 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 stammen, nicht aus den Vorhersagen von CDM. Wenn dies jedoch der Fall wäre, würden wir voll und ganz erwarten, dass die "Splashback" -Galaxien von Baryonen und nicht von dunkler Materie dominiert werden. Interessanterweise zeigen Zwergsatellitengalaxien eine Mischung: In einigen Fällen stimmen die Ergebnisse mit der Vorhersage von CDM-Halos überein, während in anderen Fällen CDM-Vorhersagen die Masse der dunklen Materie stark zu überschätzen scheinen. Ein einheitliches Modell, das die gesamte Reihe von Beobachtungen berücksichtigt, entzieht sich uns immer noch.

Verschiedene Standbilder aus einer Simulation der Fusion der Milchstraße und der Andromeda-Galaxien. Wenn eine größere Fusion wie diese stattfindet, kann es vorkommen, dass eine große Menge an Trümmern aufgewirbelt wird, wodurch 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? Wenn Simulationen zusätzliche Dynamik wie Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie / Strahlung / Normaler Materie, Sternentstehungsrückkopplung, lokale besondere Geschwindigkeitseffekte und mehr besser hinzufügen können, stimmen sie besser mit den Beobachtungen überein, sind aber immer noch nicht perfekt und mit Sicherheit nicht universell. Andererseits leiden Alternativen zur Dunklen Materie immer noch unter denselben Fehlern, wenn versucht wird, das kosmische Netz, den kosmischen Mikrowellenhintergrund oder die Dynamik kollidierender Galaxienhaufen zu reproduzieren. Es ist jedoch wichtig, offen zu bleiben, solange die Beweise für CDM fehlen, und sich daran zu erinnern, dass dies ein Rätsel ist, das möglicherweise mehr über die Evolution und Fusionen von Galaxien aussagt als über dunkle Materie. Wie Michael Boylan-Kolchin sagt: "Die Ergebnisse können entweder zu einem besseren Verständnis der Galaxienbildung innerhalb des Modells [kalte dunkle Materie] führen oder zu einem Versuch, die zugrunde liegenden Annahmen zu stürzen."

Aufgrund der ganzen Reihe seiner Erfolge auf allen Ebenen wird die Dunkle Materie zumindest vorerst hier bleiben. Die Bildung 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 veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.