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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:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

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]

Riesige Wasservorkommen im All aufgefunden

Wasser im All

Wasser gilt als Elixier des Lebens – und das Weltall ist voll davon. Jetzt haben Wissenschaftler das kostbare Element in einer Scheibe um einen jungen Stern vom Typ unserer Sonne gefunden. Die Scheibe, in der später vermutlich Planeten geboren werden, beinhaltet hundertmal mehr Wasser als alle Ozeane der Erde zusammen. Die Beobachtungen gelangen mit dem IRAM-Interferometer und werfen ein Licht auf die rätselhafte Herkunft von Wasser in unserem eigenen Sonnensystem (The Astrophysical Journal, 10. Februar 2010).

Ein Großteil des Wassers in den irdischen Ozeanen stammt sehr wahrscheinlich aus einer überaus instabilen molekularen Wolke, aus der einst unser Planetensystem entstand. Wo sich das Wasser allerdings genau gebildet hat und wie die einzelnen Moleküle schließlich vor ungefähr 4,5 Milliarden Jahren ihren Weg von der riesigen Wolke auf einen so winzigen Himmelskörper wie die Erde fanden, zählt zu den wichtigsten Fragen unserer Ursprungsgeschichte. Riesige Wasservorkommen im All aufgefunden weiterlesen

Schlüsselelement des Lebens im Milchstraßensystem gefunden

Das von den Wissenschaftlern benutzte Radioteleskop: das IRAM-Interferometer auf dem Plateau de Bure in den französischen Alpen IRAM/RebusWissenschaftler entdecken mit dem Radioobservatorium IRAM ein Zuckermolekül außerhalb des galaktischen Zentrums

Zum ersten Mal haben Forscher das Molekül Glycolaldehyd, den elementarsten aller Einfachzucker, außerhalb des galaktischen Zentrums gefunden. Die Bedeutung von Glycolaldehyd liegt in seiner chemischen Reaktionsfähigkeit: Zusammen mit Propenal formt es Ribose, einen essenziellen Bestandteil der Ribonukleinsäure – und steht damit in direkter Verbindung mit dem Ursprung des Lebens. Die Entdeckung von Glycolaldehyd gelang mit dem IRAM-Interferometer. (The Astrophysical Journal, 27. November 2008)

Das interstellare Molekül war schon einmal nahe dem galaktischen Zentrum beobachtet worden. Allerdings herrschen dort extreme Bedingungen. Daher wollten die Wissenschaftler herausfinden, wie häufig dieses Schlüsselelement des Lebens auch in anderen Teilen unseres Milchstraßensystems ist. Tatsächlich spürten die Forscher das Molekül jetzt in einem aktiven Sternentstehungsgebiet auf, weitab vom Herz der Galaxis.

“Diese Entdeckung ist insofern von Bedeutung, als das Glycolaldehyd in einer Region gefunden wurde, von der man annimmt, dass sie junge Sterne mit um sie kreisenden Planeten enthält – und Planeten können die Wiege des Lebens darstellen”, sagt Claudio Codella, Astronom am l’INAF-Istituto di Radioastronomia in Florenz.

Die rund 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernte Region namens G31.41+0.31 besteht aus einem massiven Kern, den rotierendes Gas umgibt. Der Kern strahlt mehr als 300.000-fach heller als unsere Sonne und beherbergt eine große Anzahl junger und heißer Sterne. Darüber hinaus kennen die Forscher G31.41+0.31 schon relativ gut: Das Gebiet zeichnet sich durch besonders hohe Temperatur, Dichte und eine reiche Chemie aus und leuchtet sowohl im optischen Teil des Spektrums als auch im Bereich von für das menschliche Auge unsichtbaren Radio- und Mikrowellen.

Das internationale Forscherteam untersuchte die Region mit hoher Auflösung und bei unterschiedlichen Wellenlängen mit dem Ziel, verschiedene Anregungszustände des Moleküls ausfindig zu machen. Die Beobachtungen bestätigten das Vorhandensein von drei Linien des Moleküls Glycolaldehyd in Richtung des Kernzentrums bei Wellenlängen von ein, zwei und drei Millimetern. Die Strahlung ließ sich dabei zweifelsfrei auf die erst kürzlich entstandenen Sterne zurückführen.

Die Entdeckung des Glycolaldehyds ist für die Astrochemie und das Wissen über Sternentstehungsgebiete von entscheidender Bedeutung. Sie erlaubt es nicht nur, das genaue Entwicklungsstadium dieses Kerngebiets näher zu bestimmen, sondern auch das der jungen Sterne selbst. Darüber hinaus ebnet dieses Resultat den Weg für die Entdeckung anderer komplexer Moleküle, die untrennbar mit dem Ursprung des Lebens verbunden sind und die sich bis jetzt nur im galaktischen Zentrum nachweisen ließen.

“Die Suche nach pre-organischen Molekülen in Sternentstehungsgebieten steckt noch in den Kinderschuhen, aber das Tor ist nun weit aufgestoßen. Ich bin überzeugt davon, dass wir schon in naher Zukunft noch mehr dieser Moleküle finden werden”, meint Roberto Neri, IRAM-Astronom und wissenschaftlicher Projektleiter für das Interferometer auf dem Plateau de Bure. (Quelle: idw)