Neue kosmologische Grenzen für die Natur der Dunklen Materie

Dunkle-Materie-Fluktuationen im System MG J0414+0534. Weißblau repräsentiert die von ALMA beobachteten Abbilder. Orange zeigt die berechnete Verteilung der Dunklen Materie. (Credit: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), K. T. Inoue et al.))
Dunkle-Materie-Fluktuationen im System MG J0414+0534. Weißblau repräsentiert die von ALMA beobachteten Abbilder. Orange zeigt die berechnete Verteilung der Dunklen Materie. (Credit: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), K. T. Inoue et al.))

Eine neue Studie hat die Verteilung der Dunklen Materie bis in eine Größenordnung von 30.000 Lichtjahren in bisher unerreichtem Detailgrad gezeigt. Die beobachteten Variationen der Verteilung liefern bessere Grenzen für die Natur der Dunklen Materie.

Die rätselhafte Dunkle Materie macht den Großteil der Materie im Universum aus. Dunkle Materie ist unsichtbar und macht nur durch ihre gravitativen Wechselwirkungen auf sich aufmerksam. Sie wurde bisher nie in einem Labor isoliert, daher müssen sich die Forscher auf „natürliche Experimente“ stützen, um sie zu untersuchen.

Eine Art dieser natürlichen Experimente sind Gravitationslinsen. Manchmal sind zwei Objekte in unterschiedlichen Entfernungen im Universum aus unserer Beobachtungsperspektive zufällig in derselben Sichtlinie ausgerichtet. Wenn das passiert, agiert die von der Materie des Vordergrundobjekts verursachte Raumkrümmung wie eine Linse und krümmt die Bahnen des Lichts von dem Hintergrundobjekt, was zu einem gebündelten Bild führt. Allerdings ist es schwierig, die hohe Auflösung zu erreichen, um Klumpen aus Dunkler Materie zu registrieren, die weniger massereich als Galaxien in natürlichen Experimenten sind. Deswegen liegen der genauen Natur der Dunklen Materie keine engen Grenzen auf.

Ein Team japanischer Forscher unter Leitung von Professor Kaiki Taro Inoue von der Kindai University nutzte das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), um das Gravitationslinsensystem namens MG J0414+0534 im Sternbild Taurus (Stier) zu untersuchen. In diesem System erzeugt das Vordergrundobjekt aufgrund der starken Gravitationskräfte einer massereichen Galaxie nicht eins, sondern vier Abbilder des Hintergrundobjekts. Mit der Hilfe des Krümmungseffekts und ihrer neuen Datenanalysemethode konnte das Team Fluktuationen in der Verteilung der Dunklen Materie entlang der Sichtlinie in höherer Auflösung als jemals zuvor registrieren, runter bis auf eine Größenordnung von 30.000 Lichtjahren.

Schematische Darstellung der untersuchten Gravitationslinse. (Credits: NAOJ, K. T. Inoue)
Schematische Darstellung der untersuchten Gravitationslinse. (Credits: NAOJ, K. T. Inoue)

Die neuen Grenzen, die anhand der beobachteten Verteilung gesetzt wurden, stimmen mit Modellen für sich langsam bewegende „kalte“ Dunkle-Materie-Teilchen überein. Für die Zukunft plant das Team, die Natur der Dunklen Materie mit zusätzlichen Beobachtungen weiter einzugrenzen.

Studie: https://arxiv.org/abs/2109.01168

Quelle

(THK)

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