Zurück auf Start – zu viel Dunkle Materie in Galaxienhaufen

Die Bögen der Gravitationslinsen Galaxien werden genauer gezeigt. Man erkennt kleine Verzerrungen.

Ein neuer Artikel von Massimo Meneghetti an der Universität Bologna und seinem Team, publiziert im renommierten Wissenschaftsjournal Science, wirft neues Licht auf ein Problem, dass man schon lange als gelöst betrachtete. Der Artikel mit dem Titel “An excess of small-scale gravitational lenses observed in galaxy clusters” bringt die Zwerggalaxienforschung in Bedrängnis.

Galaxienhaufen bestehen einerseits aus hunderten von Galaxien, andererseits umhüllt sie ein dunkles Halo aus Materie. Diese vornehmlich Dunkle Materie trägt dazu bei, dass Galaxien hinter dem Haufen wie bei einer Linse vergrössert werden. Dies nennt man auch den Gravitationslinseneffekt und ist einer der grossen Erfolge Einsteins. Dabei sehen wir dann aber teilweise doppelt oder dreifach, denn das gleiche Objekt erscheint uns an mehreren Orten.

Schematische Darstellung der Gravitationslinse. Ein Objekt hinter der Linse wird in unserem Beobachtungspunkt fokusiert.
Der Gravitationslinseneffekt schematisch dargestellt. Bild: Horst Frank, CC BY-SA 3.0.

In der Praxis kennen wir die Gesamtmasse des Galaxienhaufen nicht. Aber wenn nun solche Hintergrundsgalaxien ersichtlich sind, können wir theoretisch modellieren, wie die Masse im Galaxienhaufen verteilt sein muss, damit wir das beobachtete Bild der Hintergrundsgalaxie erklären können.

Man erkennt Bögen innerhalb des Haufens.
Der Gaxienhaufen Abell 2218 mit seinen wunderschönen bogenförmigen Hintergrundsgalaxien, die durch den Gravitationslinseneffekt entstehen. Bild: NASA, Andrew Fruchter and the ERO Team [Sylvia Baggett (STScI), Richard Hook (ST-ECF), Zoltan Levay (STScI)] (STScI). – GRIN/NASA. HubbleSite: gallery, NewsCenter., Gemeinfrei

Soweit so gut. Da ein Galaxienhaufen aber nicht nur aus der Dunklen Materie besteht, sondern auch aus ganz vielen Galaxien, welche jede auch eine Masse mit sich bringt, haben diese auch einen Einfluss auf den Linseneffekt. Jede Galaxie wirkt quasi als Minilinse und verändert das projizierte Bild der Hintergrundsgalaxie, wie im folgenden Bild ersichtlich.

Die Bögen der Gravitationslinsen Galaxien werden genauer gezeigt. Man erkennt kleine Verzerrungen.
Der Galaxienhaufen MACSJ1206. Eingezeichnet sind die durch den Gravitationslinseneffekt projizierten Hintergrundsgalaxien und die Verzerrung, welche sie durch Mikrolinsen erfahren haben. Bild: Meneghetti et al. (2020), Science 11 Sep 2020: Vol. 369, Issue 6509, pp. 1347-1351 DOI: 10.1126/science.aax5164.

Dabei kommt der Clou der Arbeit. Wird dieser Miniaturlinseneffekt berücksichtigt, braucht man zu viele Galaxien, genauer gesagt zu viele Zwerggalaxien, um das beobachtete Bild zu erklären. Das sieht man in folgendem Diagramm, in welchen der modellierte Galaxienhaufen und ein Zwilling aus einer kosmologischen Simulation dargestellt wird.

Der beobachtete Galaxienhaufen hat mehr Galaxien, also mehr Punkte.
Das Massenmodell des beobachteten Galaxienhaufens ist oben dargestellt, ein ähnlicher Galaxienhaufen aus einer kosmologischen Simulation unten. Bild: Meneghetti et al. (2020), Science 11 Sep 2020: Vol. 369, Issue 6509, pp. 1347-1351 DOI: 10.1126/science.aax5164.

Warum bringt uns das so in Bedrängnis, wenn es da zu viele Zwerggalaxien geben sollte, um das Bild zu erklären? Das rührt daher, dass unser kosmologisches Modell früher zu viele Zwerggalaxien um unsere eigene Milchstrasse vorhergesagte. Simulationen weckten den Eindruck, dass es tausende Zwerggalaxien um die Milchstrasse geben müsste, beobacht haben wir aber bisher eine Handvoll. Ich habe darüber bereits im Spektrum der Wissenschaft geschrieben. Damit dieses “fehlende Satellitenproblem” gelöst werden kann, wurden die Simulationen so angepasst, dass Supernovae und andere Effekte die Zwerggalaxien zerstören. Und auch wenn dass sich jetzt nach einer etwas zu einfachen Lösung anhört, wissen wir, dass Supernovae existieren und gewaltige Energien freisetzen. Diese Lösung hat also schon seine Berechtigung.

Das Blöde dabei ist nun, dass wir die vielen Zwerggalaxien für die neuen Beobachtungen in dem Galaxienhaufen brauchen. Denken wir also, die Effekte in den Simulationen sind korrekt betrachtet worden, um die Anzahl der Milchstrassenzwerge zu erklären, dann ist dieser Galaxienhaufen ein gewaltiges Problem. Versuchen wir aber, die Simulationen so anzupassen, dass genügend Zwerggalaxien innerhalb des Galaxienhaufen vorhanden wären, so sagen wir wieder zu viele Zwerggalaxien um die Milchstrasse voraus. Ein Paradoxon, dass nicht so einfach zu lösen ist.

Es wird spannend zu sehen, ob weitere solche Galaxienhaufen dieses Phänomen bestätigen können. Zukünftige Missionen wie des Weltraumteleskop Euclid werden in ein paar Jahren die Daten dazu liefern. Es bleibt spannend.

Literatur

Meneghetti et al. (2020), Science, 369, 1347. Hier der kostenlose Link für den vor-Druck Artikel.

Oliver Müller

Veröffentlicht von

Studiert habe ich Physik an der Universität Basel. Eigentlich mit dem Ziel, Lehrer zu werden, bin ich doch noch in der Wissenschaft hängen geblieben. An der gleichen Uni habe ich dann als Letzter im Fach Astronomie promoviert, kurz darauf wurde die Astronomie geschlossen. Zurzeit arbeite ich mit einem Forschungsstipendium des Schweizerischen Nationalfonds an der Universität Strasbourg. In meiner Forschung verwende ich verschiedene optische Teleskope, wie etwa das Very Large Telescope. Mein Arbeitsfeld ist die extragalaktische Astronomie, vorallem die kleinsten Galaxien im Universum – die Zwerggalaxien – begeistern mich seit Jahren. Dies, da sie das beste Labor für die Erforschung der Dunklen Materie und alternative Gravitationstheorien darstellen.

11 Kommentare

  1. Die Galaxien bewegen sich im Raum. Die Galaxienhaufen erzeugen Gravitationslinsen. Also können die gewonnenen Bilder nicht ganz scharf sein.
    Wenn man jetzt berechnet, wieviel Galaxien man braucht um so ein Bild zu erhalten, dann muss man berücksichtigen, wie und wie schnell sie sich bewegen.
    (vorausgesetzt, ich habe das Problem richtig verstanden)

  2. Oliver Müller,
    wenn Sie mit ihrem Fotoapparat wackeln, dann wird das Bild unscharf.
    Die Fotos von den Galaxien sind wahrscheinlich mindestens mit 24 Stunden in Intervallen belichtet. Und wenn die Galaxien sich fast mit 1/10 Lichtgeschwindigkeit bewegen, dann sind das 30 000 km x 3600 s x 24 Stunden = 2,592 Mrd. km pro Tag. So ein Weltraumfoto ist keine Momentaufnahme.

    • 2.6 Mrd km sind in astronomischen Skalen quasi nichts. Ein solches Objekt wird sich in unseren Lebzeiten kein Pixel weit bewegen, also ist ein solches Weltraumfoto eine Momentaufnahme. 🙂

  3. Oliver Müller,
    das Argument überzeugt. Was noch unklar ist. Das Licht bewegt sich durch starke Gravitationsfelder z.B. in der Nähe eines Schwarzen Loches. Da müsste doch die Lichtgeschwindigkeit verringert sein. Das bedeutet wiederum, dass uns Entfernungen größer erscheinen, als sie in Wirklichkeit sind. Auch die Hubble Konstante ist dann verändert .

    • Das Licht kommt nicht in der Nähe eines Schwarzen Lochs, wenn Sie das Schwarze Loch im Zentrum der Zentralen Galaxie im Galaxienhaufen meinen. Das wäre so weit entfernt, wie die Andromeda Galaxie von uns entfernt ist (oder noch weiter). Auch hier wieder, Distanzen im Universum sind unglaublich gross. Ein Schwarzes Loch ändert nur in nächster Nähe die Bahn des Lichtes anders als gewöhnliche Materie.

  4. “vielen Zwerggalaxien für die neuen Beobachtungen in dem Galaxienhaufen brauchen”
    Sagt ja keiner das die Verteilung überall gleich sein muss. Man sollte nicht vergessen das man immer auch in die ferne Vergangenheit blickt, bei weiter entfernten Systemen. Könnte vielleicht Teil der Entwicklung des Universums sein oder ist das Universum doch gekrümmt und alle Beobachtungsdaten müssen korrigiert werden.

    “Zurück auf Start”
    Heisst dann wahrscheinlich auch das die Leute mit den alternativen Gravitationstheorien wiederkommen. 🙂 Nicht das ich mich da auf irgendeine Seite stellen will, aber allgemein hab ich zumindest den Eindruck wird oft schnell in Mainstream und Spinner unterteilt.

    • Es geht nicht um die Verteilung, sondern die Anzahl der Zwerge – aber die Verteilung der Zwerggalaxien stimmt auch nicht mit den Vorhersagen der Kosmologie überein, siehe meinen Artikel dazu. Aber um zum Thema des obigen Artikels über Galaxienhaufen zu kommen, ist wirklich die Anzahl der Zwerggalaxien, die man dafür braucht, um die Beobachtung zu erklären, signifikant grösser als was wir in kosmologischen Simulationen erhalten. Und natürlich berücksichtigen wir, dass die Zeit auch eine Rolle spielt.

      “Zurück auf Start”
      Heisst dann wahrscheinlich auch das die Leute mit den alternativen Gravitationstheorien wiederkommen. 🙂 Nicht das ich mich da auf irgendeine Seite stellen will, aber allgemein hab ich zumindest den Eindruck wird oft schnell in Mainstream und Spinner unterteilt.

      In der Wissenschaft werden alternative Gravitationstheorien heutzutage schon ernst genommen, wenn auch immer noch ein wenig belächelt und wenig Forschungsgelder fliessen da rein. Ich selber arbeite auch auf alternativen Gravitationstheorien und werde damit häufiger von Laien als Crackpot abgetan. Ich denke das Problem liegt beim Wort “Alternativ”, dass bei Wissenschaftsinteressierten sofort den Verschwörungstheoretiker-Reflex auslöst.

  5. Ist es nicht so, dass man mit dem Gravitationslinseneffekt viele (gar zu viele) Zwerggalaxien findet, mit direkter Beobachtung von baryonischer Materie aber zu wenig?
    Den Gravitationslinseneffekt gibt es bei jeder Form der Materie – ob sie nun dunkel ist oder nicht. Doch wenn wir die Existenz von Zwerggalaxien bestätigen, dann meinen mir meist, dass man Sterne , Staub und Gase gefunden hat, die eine Zwerggalaxie formen. Rein aus dunkler Materie bestehende Zwerggalaxien kennt man so viel ich weiss bis jetzt nicht – obwohl es sie geben könnte. Wenn dem so ist könnte doch unsere Galaxie, die Milchstrasse also, ebenfalls recht viele Zwerggalaxien beherbergen oder von ihnen umschwärmt sein, nur sieht man sie nicht, weil sie nur dunkle Materie enthalten und keine direkt sichtbare. Damit wäre das Paradoxon dann aufgelöst.

    • Ist es nicht so, dass man mit dem Gravitationslinseneffekt viele (gar zu viele) Zwerggalaxien findet, mit direkter Beobachtung von baryonischer Materie aber zu wenig?

      Genau. Aber da muss man noch unterscheiden: Beim Gravitationslinseneffekt findet man zu viele sehr dichte Dunkle Materie Halos. Das sind solche Halos, die baryonische Materie enthalten müssten, da sie ein solch starkes Gravitationspotential hätten. Das nennt man too-big-to-fail, die Dunkle Materie Halos sind zu gross und es gibt keinen physikalischen Grund, warum diese “leer” bleiben. zusätzlich sind die fehlenden Halos zu kompakt, sogar kompakter als NFW Halos, welche in Simulationen vorkommen. In beobachteten Zwergen sind die Profile aber gerade sehr fluffig. Da hat man auch wieder ein Paradoxon (das habe ich nicht im Text oben diskutiert, ist aber Teil des Artikels).

      Wenn dem so ist könnte doch unsere Galaxie, die Milchstrasse also, ebenfalls recht viele Zwerggalaxien beherbergen oder von ihnen umschwärmt sein, nur sieht man sie nicht, weil sie nur dunkle Materie enthalten und keine direkt sichtbare.

      Das ist schon so, all die “leeren” Dunkle Materie Töpfe sollten um die Milchstrasse umherschwirren. Deshalb sucht man deren Effekt auf Geizentenströme.

      • Zitat:

        Beim Gravitationslinseneffekt findet man zu viele sehr dichte Dunkle Materie Halos. Das sind solche Halos, die baryonische Materie enthalten müssten, da sie ein solch starkes Gravitationspotential hätten. Das nennt man too-big-to-fail, die Dunkle Materie Halos sind zu gross und es gibt keinen physikalischen Grund, warum diese “leer” bleiben.

        Potenzielle Auflösung des Rätsels: Leere dunkle Halos könnten ja mit primordialen schwarzen Löchern gefüllt sein, wie im Quanta Artikel Physicists Argue That Black Holes From the Big Bang Could Be the Dark Matter spekuliert wird. Dort wird nämlich die alte Hypothese reaktiviert, es gebe ganze Gebiete voller primordialer schwarzer Löcher und die dunkle Materie sei Grossteils auf primordiale schwarze Löcher zurückzuführen. Diese mit primordialen schwarzen Löchern gefüllten Bereiche wären ja in der Tat nicht mit der üblichen baryonischen Materie gefüllt, sie wären wirklich „schwarz“.

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