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Geistermaterie lauert in der Milchstraße

Eine mysteriöse Form von Materie durchzieht unser Universum. Sie ist etwa fünf Mal häufiger als die sichtbare Materie, jedoch von nach wie vor unbekannter, „dunkler“ Natur. Dass diese mysteriöse Entität, der man den Namen “Dunkle Materie” oder Geistermaterie gab, existieren muss, belegten Forschungsarbeiten bereits in den 1970er Jahren. Erstmals ist es nun einem internationalen Wissenschaftlerteam gelungen, Dunkle Materie auch im Inneren unserer Galaxie zu belegen. Woraus Dunkle Materie  besteht, konnte allerdings nicht herausgefunden werden.

Die allgegenwärtige Präsenz der Dunklen Materie im Universum ist heute ein zentraler Grundsatz der modernen Kosmologie und Astrophysik. In verschiedenen Galaxien wurde ihre Existenz seit den 1970er Jahren mit einer Reihe von Methoden belegt. Eine dieser Methoden ist die Messung der Drehgeschwindigkeit von Gas und Sternen. Wissenschaftler können so eine Galaxie „wiegen“ und ihre Gesamtmasse bestimmen. Dabei zeigt sich, dass die gewöhnliche Materie nur einen Bruchteil des Gesamtgewichts ausmacht, den überwiegenden Teil trägt die Dunkle Materie bei.

Auch in den äußeren Bereichen unserer eigenen Galaxie, die wir bei klarem Nachthimmel als „Milchstraße“ sehen können, wurden die Astronomen mit diese Methodik fündig. Doch im inneren Bereich unserer Galaxie war es bisher unmöglich, die Anwesenheit Dunkler Materie sicher zu belegen.

Der Durchmesser unserer Galaxie beträgt etwa 100.000 Lichtjahre. Unser Sonnensystem ist etwa 26.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt. Je näher man der Mitte kommt, desto schwieriger wird es, die Rotation des Gases und der Sterne mit der benötigten Genauigkeit zu messen.

Auf Basis der Messung von Sternenbewegungen haben nun Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM), der Universität Stockholm, der Freien Universität Madrid, des Internationalen Zentrums für Theoretische Physik des Südamerikanischen Instituts für Grundlagenforschung (ICTP-SAIFR) in São Paulo und der Universität Amsterdam erstmalig einen Beweis für die Anwesenheit Dunkler Materie im Inneren der Milchstraße vorgelegt. Dunkle Materie existiert danach auch im Bereich unseres Sonnensystems und in unserer direkten „kosmischen Nachbarschaft“.

In einem ersten Schritt erstellten die Forscher die umfassendste Sammlung veröffentlichter Messungen der Bewegung von Gas und Sternen in der Milchstraße. Dann berechneten sie auf Basis aktuellster Forschungsergebnisse die Rotationsgeschwindigkeit, die die Milchstraße haben müsste, wenn sie nur aus sichtbarer Materie bestünde. Der Vergleich der gemessenen und der berechneten Geschwindigkeit zeigte eindeutig, dass hier die Dunkle Materie einen entscheidenden Beitrag leistet.

„Wir konnten mit unserer Arbeit belegen, dass sich das Gas und die Sterne in unserer Galaxie ohne den Beitrag von Dunkler Materie nicht mit den beobachteten Geschwindigkeiten drehen könnten“, sagt Dr. Miguel Pato, der die Analyse an der TU München durchführte. „Allerdings wissen wir immer noch nicht, aus was die Dunkle Materie besteht. Dies ist eine der wichtigsten Wissenschaftsfragen unserer Zeit“.

Auch für geringe Entfernung vom Zentrum der Milchstraße besitzen die Daten der Forschungsarbeit eine hohe Evidenz. Sie erschließen damit neue Wege zur Bestimmung der Verteilung Dunkler Materie in unserer Galaxie. Zukünftige astronomische Beobachtungen könnten damit die Verteilung der Dunklen Materie in unserer Galaxie mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmen.

„Damit können wir das Verständnis der Struktur und der Entwicklung unserer Galaxie wesentlich verbessern. Und es wird präzisere Vorhersagen für die vielen Experimente ermöglichen, die weltweit nach Teilchen der Dunklen Materie suchen“, sagt Miguel Pato, der inzwischen zum Oskar Klein-Zentrum für Astroteilchen-Physik an der Universität Stockholm gewechselt ist. (Quelle: idw)

Publikation:
Evidence for dark matter in the inner Milky Way
Fabio Iocco, Miguel Pato, Gianfranco Bertone
Nature Physics, advanced online publication, 9 February 2015
DOI: 10.1038/nphys3237 – Link: https://nature.com/articles/doi:10.1038/nphys3237
Buchtipp:
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Die Rätsel des Universums

München (ots) – Unser Wissen über das Universum ist enorm – doch viele Fragen sind noch unbeantwortet. Wie groß ist das Universum, woher kommen die Kometen und was hält die Galaxien zusammen – diesen und weiteren Rätseln des Universums geht das Weltraum-Magazin SPACE  nach.

Wie groß unser Universum ist – diese Frage ist nur teilweise gelöst. Seit dem Urknall konnte es sich “nur” 13,8 Milliarden Jahre lang ausdehnen. Das von weiter weg gelegenen Objekten abgestrahlte Licht hat uns einfach noch nicht erreicht. Das heißt also, das für uns von der Erde aus beobachtbare Universum ist eine kugelförmige Blase mit einem Radius von 13,8 Milliarden Lichtjahren. Wie weit es sich darüber hinaus ausdehnt, ist heiß umstritten.

Ebenfalls nur teilweise geklärt ist die Herkunft der Kometen. Ihren Ursprung erklären sich die Wissenschaftler mit Hilfe der sog. Oortschen Wolke, einer riesigen, das Sonnensystem in einer Entfernung von 20.000 Astronomischen Einheiten (1 AE entspricht etwa 149,6 Mio. km) umgebenden Wolke. Diese bildete sich wahrscheinlich, als die gerade entstandenen Planeten sonnennahe Kometen weiter “hinausbeförderten”. Und obwohl sie für uns (noch) nicht sichtbar ist, gilt diese Oortsche Wolke als Ursprung aller unserem Sonnensystem zugehörigen Kometen.

Ungelöst ist nach wie vor die Frage, was Galaxien zusammenhält. An die Gesetze der Physik halten sich manche von ihnen nicht, denn sie rotieren so schnell, dass die Gravitationswirkung ihrer sichtbaren Bestandteile nicht ausreicht, sie zusammenzuhalten. Sie müssten zerreißen, tun es aber nicht. Hier vermuten Wissenschaftler, dass eine mit modernen Instrumenten nicht messbare Materie für den Zusammenhalt der Galaxien verantwortlich sein muss – die sog. “Dunkle Materie”. Diese interagiert nicht mit der elektromagnetischen Wechselwirkung, das erschwert es, sie aufzuspüren. Die Lösung dieses Rätsels wäre eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungen.

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Existiert doch keine Dunkle Materie?

ZwerggalaxienDas kosmologische Standardmodell auf dem Prüfstand
Die meisten Astrophysiker und Kosmologen gehen davon aus, dass die so genannte Dunkle Materie den weitaus größten Teil der Materie im Universum stellt. “Normale” Materie, aus der Galaxien ebenso wie Planeten und auch Menschen bestehen, wäre demzufolge relativ selten. Doch es gibt ein Problem: Bislang konnte keines der zahlreichen Experimente, die weltweit nach Dunkle-Materie-Teilchen fahnden, diese auch nachweisen. Existiert die Dunkle Materie vielleicht doch nicht?

In der August-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft berichten die Astrophysiker Pavel Kroupa und Marcel Pawlowski von der Universität Bonn über ihre Forschung an Zwerggalaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft. Solche kleinen Galaxien sollten sich gemäß dem kosmologischen Standardmodell, in dem die Dunkle Materie eine der zentralen Rollen spielt, inmitten großräumiger Ansammlungen von Dunkler Materie bilden.
Doch nun ist Kroupas Team, das seine Arbeit jüngst im angesehenen Wissenschaftsjournal “Astronomy and Astrophysics” publiziert hat, auf eine ganze Reihe von Widersprüchen gestoßen. Das Standardmodell sagt beispielsweise voraus, dass die unsere Milchstraße umkreisenden kleinen Satellitengalaxien rein zufällig in deren Umgebung verteilt sein sollten. Stattdessen bilden sie aber eine Art Scheibe, ihre Anordnung folgt also einer klaren Struktur. Auch sagen Simulationen weit mehr Satellitengalaxien vorher, als tatsächlich gefunden wurden. Und schließlich sollten die Satellitengalaxien dem Modell zufolge umso leuchtkräftiger sein, je mehr Dunkle Materie sie enthalten – dies bestätigen die Beobachtungen aber ebenfalls nicht. Im Rahmen der populären Dunklen-Materie Hypothese scheint es keine Lösungen zu diesen Problemen zu geben.
Für die Existenz der rätselhaften Materieform führen die Astronomen zwar gute Gründe an. Beobachtungen von Scheibengalaxien belegen, dass Sterne in deren Außenbereichen schneller um das Zentrum der Galaxien rotieren, als es das newtonsche Gravitationsgesetz vorhersagt. Infolge der dabei entstehenden Fliehkräfte müssten die Galaxien sogar in kürzester Zeit auseinanderfliegen. Erklären lässt sich dieses Rätsel bislang nur, wenn man annimmt, dass die Sternsysteme über wesentlich mehr Masse verfügen als wir beobachten. Diese Masse soll darum von Teilchen beigesteuert werden, die sich praktisch nur durch ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar machen, aber kein Licht aussenden – weshalb sie als “dunkle” Materie bezeichnet werden.
Doch mit der Annahme dunkler Materie gerät man nun offenbar an anderer Stelle in große Widersprüche. Gibt es denn eine Alternative? Kroupa und Pawlowski zufolgen richten immer mehr Forscher ihre Hoffnungen auf die so genannte Modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) und ihre Varianten. Zwar ist das Newtonsche Gravitationsgesetz in gewissen Bereichen hervorragend bestätigt. Doch auf der Skala ganzer Galaxien konnte es noch nicht überprüft werden. Möglicherweise, so die Autoren, ist die Schwerkraft auf einer solchen Skala um ein weniges stärker als bislang gedacht. Denn dann ließe sich auch ohne die Annahme Dunkler Materie erklären, warum sich Sterne in den Außenbezirken von Galaxien so schnell bewegen.
“Der Ursprung dieser winzigen Abweichung könnte nach unserer Sicht möglicherweise in quantenmechanischen Prozessen liegen, die sich in der Raumzeit abspielen”, schreiben die Autoren, “oder in der Existenz zusätzlicher, noch unbekannter Felder.” Diese könnten die von Massen verursachten Störungen der Raumzeit weiter tragen, als dies die herkömmliche Theorie voraussagt. Aber auch andere Erklärungen seien denkbar.
Neue Erkenntnisse über die Satellitengalaxien der Milchstraße und anderer Galaxien in der kosmischen Nachbarschaft erhoffen sich die Forscher nun von der GAIA-Satellitenmission der Europäischen Weltraumagentur und vom australischen “Stromlo Milky Way Satellites Survey”. Sie könnten für spannende Erkenntnisse sorgen, schreiben die Bonner Forscher: “Noch ist nichts entschieden, eins aber ist schon jetzt sicher: Die wahre Geschichte des Universums muss erst noch geschrieben werden.”
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2010

Abbildung oben
Zwerggalaxien

In dem langen Gezeitenarm (rechts oben im Bild) der miteinander verschmelzenden Mäusegalaxien bilden sich kleine so genannte Gezeitenzwerggalaxien. Der Mechanismus ihrer Entstehung könnte auch vollständig beschreiben, wie sich Satellitengalaxien um unsere Milchsstraße bildete. Dunkle Materie, einer der Stützpfeiler des kosmologischen Standardmodells, wäre für die Erklärung ihrer Existenz dann überflüssig.

© NASA / ESA, H. Ford (JHU), G. Illingworth (UCSC / LO ), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI) und das ACS Science Team]

Dramatische Sternenexplosion schleudert geheimnisvolle Strahlung ins All

Mehrere astronomische Experimente haben in jüngster Zeit mysteriöse Komponenten von Elementarteilchen im Universum gemessen. Doch der Ursprung der Elektronen und Positronen blieb bislang im Dunkeln. Ist wirklich, wie einige Physiker spekulieren, dunkle Materie die Ursache für diese Strahlung?

Ein internationales Astrophysikerteam um die Bochumer Juniorprofessorin Dr. Julia Becker und den Dortmunder Physiker Prof. Dr. Dr. Wolfgang Rhode haben jetzt eine einfache Erklärung gefunden:
Gigantische Sterne, mindestens fünfzehnmal so schwer wie unsere Sonne, senden bei ihrem Tod in einer finalen Explosion die Elementarteilchen aus.
Der auf Basis dieser Theorie berechnete Fluss an Elektronen und Positronen stimmt mit dem in den astronomischen Experimenten beobachteten und bislang rätselhaften Signal überein. Wie sie die Beobachtungen mit ihrer Theorie der schweren Sternexplosionen erklären, erläutert die sechsköpfige Gruppe von internationalen Forschern in der Physical Review Letters (Ausgabe 7. August 2009).

Elementarteilchen aus dem Universum

In mehreren astronomischen Experimenten wurde kürzlich von der Beobachtung einer mysteriösen Komponente von Elektronen und Positronen aus dem Universum berichtet. Die Quellen dieser Elementarteilchen kann von den Experimenten selbst nicht identifiziert werden: Kosmische Magnetfelder lenken sie von ihren Bahnen ab und verwischen ihre Spur. Seit der Veröffentlichung der Messungen wurden viele Versuche unternommen, den Ursprung dieser Teilchenstrahlung zu erklären. Unter anderem wurde die These aufgestellt, ein solches Signal sei einzig durch die so genannte dunkle Materie erklärbar – eine Materieart, deren Ursprung bisher noch völlig unbekannt ist. “Aber die Natur hat vielleicht eine viel einfachere Erklärung für die beobachteten Teilchen”, sagt Julia Becker, die mit einem Forscherteam von Instituten aus Deutschland, den USA und Schweden zusammenarbeitet. Das Team erklärt die Teilchenstrahlung mit Explosionen von gigantischen Sternen, die mehr als das 15-fache der Masse unserer Sonne besitzen.

Das dramatische Ableben der schwersten Sterne

Ein sterbender Stern mit hoher Masse schleudert die meiste Materie, Plasma genannt, in einer finalen Explosion von sich. Die Folge ist, dass das ausgestoßene Plasma unausweichlich auf die den Stern umgebende Materie zuläuft – den sog. Sternenwind. Dieser bildet sich um die massiven Sterne, da sie schon in einem früheren Stadium einen Teil ihrer Hülle abgeben, bevor sie in der letzten Explosion vergehen. “Bei der Kollision der schnellen Materie aus der finalen Explosion mit dem Plasma früherer Ausstoßungen entstehen dann sog. Schockfronten, ähnlich wie man sie etwa auch bei Überschallflugzeugen beobachten kann”, erklärt der Dortmunder Astrophysiker Wolfgang Rhode: “Fliegt ein Flugzeug schneller als der Schall, wird die das Flugzeug umgebende Luft mit einer Geschwindigkeit nach außen gedrängt, die die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Es kommt zum Überschallknall, der sich in Form einer Schockfront ausbreitet.” Als Schockfront bezeichnet man die sprunghafte Änderung der Dichte des Mediums an sich – dort, wo das Flugzeug die Materie wegschiebt, entsteht eine hohe Dichte, während auf der anderen Seite des Schocks die niedrige Dichte der ungestörten Atmosphäre herrscht. Genau dasselbe geschieht, wenn ein Plasma mit hoher Geschwindigkeit in ein langsameres Plasma gedrückt wird, wie es bei den Explosionen der gigantischen Sternen der Fall ist.

Elektronen und Positronen aus schweren Sternexplosionen

Wie nun in den Schockfronten der schweren Sternexplosionen Elektronen und Positronen beschleunigt werden, erklären die Forscher in ihrem Artikel: Indem sich das Plasma seinen Weg durch den Sternenwind bahnt, entstehen zwei unterschiedliche Regionen, in welchen sich jeweils unterschiedliche Schocks bilden. Auf fast der gesamten Oberfläche sind die Magnetfelder des Sterns senkrecht zu der Geschwindigkeit der Schockfront ausgerichtet. Hier entsteht ein niederenergetisches Signal von Elektronen und Positronen. Gleichzeitig ist das Magnetfeld an den Polen des ehemals rotierenden Sterns parallel zur Geschwindigkeit des Schocks ausgerichtet. Hierdurch wird hochenergetische Elektronenstrahlung erzeugt. Beide Komponenten sind in dem beobachteten Spektrum der Elektronen und Positronen sichtbar und die Messungen können mit dem Modell des Forscherteams hervorragend erklärt werden. “Für die dunkle Materie heißt das, dass sie Elektronen und Positronen nicht in gleichem Maße produziert wie die Riesensterne und dass man sie daher an anderer Stelle suchen muss”, folgert Dr. Becker. Quelle: idw

Dunkle Energie: größtem Rätsel der Astrophysik auf der Spur

Video: Dunkle Materie dunkle Energie

Ist die Dunkle Energie der fundamentale Baustein des Universums oder ist es Bewusstsein, wie im Buch “Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen” dargestellt? Oder hängt beides womöglich zusammen? Das astrophysikalische Institut in Potsdam (AIP) wird ab 2010 verstärkt nach der geheimnisvollen dunklen Energie fahnden und zur Lösung der Rätsel durch einen innovativen Multikanalspektrographen beitragen.

(idw), Am dunklen Nachthimmel über West-Texas beobachtet das 9.2m große Hobby-Eberly Teleskop (HET) des McDonald Observatoriums die Tiefen des Weltalls. Es ist einem der größten Rätsel der Astrophysik auf der Spur: der sogenannten “Dunklen Energie”, einem Phänomen das eng mit der Zukunft unseres Weltalls verknüpft ist. Die Wissenschaftler wollen nun durch die Vermessung von Millionen Galaxien erstmals Näheres über die Eigenschaften der mysteriösen Dunklen Energie in Erfahrung bringen . Ein speziell am Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP) entwickeltes Glasfaserbündel ermöglicht die gleichzeitige Erfassung und Spektroskopie von hunderten von Punkten eines Himmelsauschnitts für dieses ehrgeizige Projekt. Um die Entfernungen zu den Galaxien bestimmen zu können, müssen die Astronomen diese Objekte nicht nur finden, sondern ihr Licht auch spektroskopisch analysieren, d.h. in seine Anteile verschiedener Wellenlängen zerlegen. Dafür wird das Teleskop mittels des Faserbündels an einen leistungsfähigen Multikanalspektrographen (genannt VIRUS) angeschlossen. Ein Prototyp des VIRUS Faserbündels und des Spektrographen wurde nun erstmals erfolgreich am Teleskop eingesetzt. Ab 2010 soll eine großräumige Durchsuchung des Himmels beginnen.

“Wenn es gelingt, die statistische Verteilung von entfernten Galaxien in Raum und Zeit zu bestimmen, so lässt dies Rückschlüsse auf die Natur der Dunklen Energie zu”, erklärt Andreas Kelz, der als Wissenschaftler des AIP an der Entwicklung des Instruments beteiligt ist. Bis vor kurzen glaubten Astronomen, dass es für das Schicksal des Universums zwei mögliche Szenarien gibt: Entweder enthält das Universum so viel Materie, dass ihre Anziehungskraft die gegenwärtig zu beobachtende Ausdehnung bremst und das Universum letztendlich in sich kollabieren läßt, oder die Expansion geht, wenn auch verlangsamt, unendlich weiter.

Neuere Beobachtungen hingegen legen nahe, dass sich das Universum vielmehr beschleunigt ausdehnt, es also eine Art Anti-Schwerkraft gibt, welche das Universum auseinandertreibt. Diese ‘Dunkle Energie’ genannte Kraft ist noch völlig unverstanden, auch wenn angenommen wird, dass sie 70% der Gesamtenergie des Universums ausmacht.
“Die Idee einer Energie, welche der Schwerkraft entgegenwirkt ist nicht neu.”, berichtet Matthias Steinmetz, wiss. Vorstand des AIP und Co-Ermittler. “Bereits Einstein postulierte sie 1920, hatte seine kosmologische Konstante dann aber wieder als ‘größte Eselei’ seines Lebens verworfen. Durch die aktuellen Messungen bekommt sie aber wieder neue Brisanz.”