Obwohl dunkle Materie etwa 27 % des Universums ausmacht, konnten Astronomen sie nicht direkt beobachten.
Nun hat ein internationales Forscherteam, darunter Astrophysiker der Northwestern University, in einer neuen Studie herausgefunden, dass künftige Bilder des römischen Weltraumteleskops Nancy Grace der NASA (der im Mai 2027 starten soll) wichtige Hinweise zum Verständnis des schwer fassbaren Materials enthalten könnten.
Bei der Suche nach Dunkler Materie haben sich einige Astrophysiker zuvor auf die Lücken in Sternenströmen konzentriert – Bereiche, in denen die Strukturen so dünn sind, dass es möglich ist, Störungen zu erkennen, die durch Klumpen dunkler Materie entstehen. Doch bisher haben Astronomen nur diese Lücken in der Milchstraße untersucht. Mit der Aufnahme von Bildern unserer benachbarten Andromeda-Galaxie durch das römische Weltraumteleskop werden Forscher ihre wachsende Stichprobe dünner Sternströme erheblich erweitern, was möglicherweise zu mehr Informationen über die konkreten Eigenschaften der Dunklen Materie führen wird.
Die Studie wurde zur Veröffentlichung angenommen von Das Astrophysikalische Journal. Ein Vorabdruck ist derzeit online verfügbar. Es ist die erste Untersuchung der Möglichkeiten, Lücken in Sternenströmen außerhalb unserer eigenen Milchstraßengalaxie zu finden.
„Es gibt Sternströme in unserer eigenen Galaxie, in denen wir Lücken sehen, die möglicherweise auf dunkle Materie zurückzuführen sind“, sagte Tjitske Starkenburg von Northwestern, Mitautorin der Studie. „Aber diese Lücken können auch auf andere Weise entstehen. Unsere neue Studie geht davon aus, dass wir diese Lücken in anderen Galaxien in der Nähe als unserer eigenen beobachten können. Das wird uns bessere Statistiken über diese Lücken liefern, was uns letztendlich helfen wird.“ um die mögliche Existenz und die Eigenschaften von Klumpen dunkler Materie besser zu verstehen.“
Starkenburg ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Christian Aganze, Postdoktorand an der Stanford University, ist der Hauptautor der Studie.
Dunkle Materie, die man als Teilchen ansieht, kann noch nicht direkt beobachtet werden, da sie kein Licht emittiert, reflektiert, bricht oder absorbiert. Da niemand es sehen kann, müssen Forscher nach anderen Hinweisen suchen, um festzustellen, ob es tatsächlich vorhanden ist.
„Wir sehen die Wirkung der Dunklen Materie auf Galaxien“, sagte Aganze. „Wenn wir zum Beispiel modellieren, wie Galaxien rotieren, benötigen wir zusätzliche Masse, um ihre Rotation zu erklären. Dunkle Materie könnte die fehlende Masse liefern.“
Astronomen sind besonders zuversichtlich, dass Hinweise in den langgestreckten Sternenströmen verborgen sein könnten, die an Kugelsternhaufen hängen, eng verbundenen Gruppen von Dutzenden bis Millionen Sternen. Forscher sagen, dass Klumpen dunkler Materie durch Sternströme dringen und Lücken erzeugen können. Durch die Untersuchung dieser Lücken wollen Astronomen Anzeichen dunkler Materie aufdecken.
„Der Grund, warum diese Ströme so interessant sind, um die Auswirkungen dieser Klumpen dunkler Materie zu beobachten, ist zweierlei“, sagte Starkenburg. „Erstens ‚leben‘ diese Ströme in den äußersten Randregionen einer Galaxie, wo es sonst nur sehr wenig Struktur gibt. Und zweitens sind diese Ströme an sich sehr dünn, weil sie aus dichten Sternhaufen entstanden sind, was bedeutet, dass man Lücken erkennen kann.“ oder jede Störung viel leichter.
Bisher haben bestehende weltraum- und bodengestützte Teleskope die Suche auf eine kleine Anzahl von Kugelsternhaufenströmen innerhalb der Milchstraße beschränkt. Aber das römische Weltraumteleskop, das 1 Million Meilen von der Erde entfernt sein wird, wird es Astronomen erstmals ermöglichen, nahegelegene Galaxien nach Kugelsternhaufenströmen zu durchsuchen.
Romans Wide Field Instrument verfügt über 18 Detektoren, die Bilder erzeugen, die 200-mal so groß sind wie die der Nahinfrarotkamera des Hubble-Weltraumteleskops – und das mit einer etwas höheren Auflösung.
In der neuen Studie simulierten Starkenburg, Aganze und ihre Mitarbeiter Ströme von Sternen, ließen sie mit Klumpen dunkler Materie interagieren, um Lücken zu erzeugen, und führten dann Scheinbeobachtungen dieser Lücken durch. Letztendlich kam das Team zu dem Schluss, dass diese Lücken in den kommenden Bildern des römischen Weltraumteleskops erkennbar sein sollten. Sie schätzen außerdem, dass das neue Teleskop diese Daten innerhalb von nur einer Stunde Beobachtungszeit effizient liefern wird.
Zu gegebener Zeit planen die Forscher auch, den Halo aus dunkler Materie rund um Andromeda zu untersuchen. Während Halos aus dunkler Materie alle Galaxien, einschließlich der Milchstraße, umgeben, vermuten die Forscher, dass sie Hinweise auf kleinere Sub-Halos finden könnten, was aktuelle Modelle vorhersagen.
„Wir erwarten, dass kleinere Subhalos aus dunkler Materie mit Kugelsternhaufenströmen interagieren“, sagte Starkenburg. „Wenn diese Subhalos in anderen Galaxien vorhanden sind, sagen wir voraus, dass wir Lücken in den Kugelsternhaufenströmen sehen werden, die wahrscheinlich durch diese Subhalos verursacht werden. Das wird uns neue Informationen über Dunkle Materie liefern, einschließlich der Art von Halos aus Dunkler Materie.“ vorhanden sind und was ihre Massen sind.“
Mit einem entsprechenden Projekt legt Starkenburg bereits den Grundstein für die Erforschung der Dunklen Materie.
„Dieses Team plant, die Entstehung von Kugelsternhaufen zu Sternströmen zu modellieren, indem es einen viel detaillierteren theoretischen Rahmen entwickelt“, sagte sie. „Wir werden weiterhin die Ursprünge strombildender Kugelsternhaufen vorhersagen und ob diese Ströme mit Roman beobachtbar sein werden.“
Mehr Informationen:
Christian Aganze et al., Perspektiven für die Erkennung von Lücken in Sternströmen von Kugelsternhaufen in externen Galaxien mit dem Nancy Grace Roman Space Telescope, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2305.12045