Warum sind Halos aus dunkler Materie in ultradiffusen Galaxien so seltsam?

Eine von Physikern an der UC Riverside und der UC Irvine gemeinsam geleitete Studie hat herausgefunden, dass Halos aus dunkler Materie in ultradiffusen Galaxien sehr seltsam sind, was Fragen zum Verständnis der Physiker über die Entstehung von Galaxien und die Struktur des Universums aufwirft.

Ultradiffuse Galaxien werden wegen ihrer extrem geringen Leuchtkraft so genannt. Die Verteilung von Baryonen – Gas und Sterne – ist in ultradiffusen Galaxien viel weiter verbreitet als in „normalen“ Galaxien mit ähnlichen Massen.

In den folgenden Fragen und Antworten teilt Hai-Bo Yu, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der UCR, seine Gedanken zu den Ergebnissen mit, die er und Manoj Kaplinghat von der UCI, sein langjähriger Mitarbeiter, veröffentlicht haben Das Astrophysikalische Journal über neu entdeckte ultradiffuse Galaxien und ihre Halos aus dunkler Materie.

Yu und Kaplinghat wurden in der Forschung von Demao Kong von der Tufts University sowie Filippo Fraternali und Pavel E. Mancera Piña von der Universität Groningen in den Niederlanden begleitet. Der Erstautor Kong wird diesen Herbst zu UCR stoßen.

F. Was ist ein Halo aus dunkler Materie?

Ein Halo aus dunkler Materie ist der Halo aus unsichtbarer Materie, der eine Galaxie oder einen Galaxienhaufen durchdringt und umgibt. Obwohl dunkle Materie noch nie in Labors nachgewiesen wurde, sind Physiker zuversichtlich, dass dunkle Materie, die 85 % der Materie des Universums ausmacht, existiert.

F. Sie haben herausgefunden, dass Halos aus dunkler Materie in ultradiffusen Galaxien sehr seltsam sind. Was ist daran seltsam und womit vergleichst du sie?

Die von uns untersuchten ultradiffusen Galaxien sind viel weniger massereich als beispielsweise die Milchstraße. Sie enthalten jedoch viel Gas und haben eine viel höhere Gasmasse als die gesamte Sternmasse, was das Gegenteil dessen ist, was wir in der Milchstraße sehen. Die ultradiffusen Galaxien haben ebenfalls große Größen.

Die Verteilung der Dunklen Materie in diesen Galaxien lässt sich aus der Bewegung von Gasteilchen ableiten. Was uns wirklich überrascht, ist, dass das Vorhandensein von baryonischer Materie selbst, überwiegend in Form von Gas, fast ausreicht, um die gemessene Geschwindigkeit von Gasteilchen zu erklären, und wenig Platz für Dunkle Materie in den inneren Regionen lässt, wo die meisten Sterne und Gase sind befinden sich.

Das ist sehr überraschend, denn bei normalen Galaxien, deren Massen denen der ultradiffusen Galaxien ähnlich sind, ist es umgekehrt: Dunkle Materie dominiert über baryonische Materie. Um diesem Ergebnis Rechnung zu tragen, schlussfolgern wir, dass diese Halos aus dunkler Materie viel geringere „Konzentrationen“ haben müssen. Das heißt, sie enthalten viel weniger Masse in ihren inneren Regionen im Vergleich zu denen normaler Galaxien. In diesem Sinne sind Halos aus dunkler Materie der ultradiffusen Galaxien „seltsam“.

Auf den ersten Blick würde man erwarten, dass solch niedrig konzentrierte Halos so selten sind, dass die ultradiffusen Galaxien gar nicht existieren würden. Nachdem wir uns die Daten aus hochmodernen numerischen Simulationen der kosmischen Strukturbildung angesehen hatten, stellten wir jedoch fest, dass die Population von Halos mit geringer Konzentration höher ist als erwartet.

F. Was war an der Durchführung der Studie beteiligt?

Dies ist eine Gemeinschaftsarbeit. Filippo Fraternali und sein Student Pavel E. Mancera Piña sind Experten für die Gasdynamik von Galaxien. Sie entdeckten, dass die ultradiffusen Galaxien langsamer rotieren als normale Galaxien mit ähnlicher Masse. Wir haben gemeinsam daran gearbeitet, Messdaten der Gasbewegung dieser Galaxien zu interpretieren und auf ihre Verteilung der Dunklen Materie zu schließen. Darüber hinaus analysierten wir Daten aus Simulationen der kosmischen Strukturbildung und identifizierten Halos aus dunkler Materie, die ähnliche Eigenschaften haben wie diejenigen, die von den ultradiffusen Galaxien abgeleitet wurden.

F. Ihre Ergebnisse werfen Fragen zu unserem Verständnis der Galaxienbildung/Strukturbildung des Universums auf. Wie?

Wir haben viele Fragen zur Entstehung und Entwicklung dieser neu entdeckten Galaxien. Zum Beispiel enthalten die ultradiffusen Galaxien viel Gas und wir wissen nicht, wie dieses Gas während der Galaxienbildung zurückgehalten wird. Außerdem weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass diese Galaxien möglicherweise jünger sind als normale Galaxien. Die Entstehung der ultradiffusen Galaxien ist nicht gut verstanden, und es sind weitere Arbeiten erforderlich.

F. Was macht ultradiffuse Galaxien so interessant?

Dies sind aufgrund ihrer überraschenden Eigenschaften, wie in unserer Arbeit diskutiert, erstaunliche Objekte, die es zu untersuchen gilt. Die neu entdeckten ultradiffusen Galaxien bieten ein neues Fenster, um unser Verständnis der Galaxienentstehung, wahrscheinlich sogar der Natur dunkler Materie, weiter zu testen.