Dunkler Stoff auf verschiedenen Skalen

Dunkler Stoff auf verschiedenen Skalen
Redaktion
Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik
astronews.com
4. September 2020

Bisher wissen wir nicht, was dunkle Materie ist – aber wir können beobachten, welche Auswirkungen dunkle Materie hat, und entsprechend simulieren. Ein internationales Forschungsteam hat jetzt neue Simulationen vorgestellt, mit denen Halos aus dunkler Materie im virtuellen Universum vergrößert werden können. Es gab überraschend wenige Unterschiede zwischen den Lichthöfen in verschiedenen Größen.

Ein Großteil der Materie im Universum ist dunkel und kann nicht direkt beobachtet werden. Ein internationales Forscherteam hat nun die Ergebnisse von Simulationen mit Supercomputern in China und Europa vorgestellt, um eine typische Region eines virtuellen Universums zu vergrößern. Dieser Zoom enthält eine beispiellose Detailgenauigkeit, die mit einer Vergrößerung vergleichbar ist, um einen Floh auf der Oberfläche des Vollmonds zu sehen. Auf diese Weise konnte das Team detaillierte Bilder von Hunderten von virtuellen Halos aus dunkler Materie erstellen, von den größten bis zu den kleinsten, die in unserem Universum zu finden waren.

Dunkle Materie spielt eine wichtige Rolle in der kosmischen Evolution. Galaxien wuchsen allmählich als gasgekühlt und kondensierten inmitten großer Klumpen dunkler Materie, die Halos dunkler Materie genannt wurden. Während der kosmischen Evolution sind die Lichthöfe aufgrund der Schwerkraft ihrer eigenen dunklen Materie von der Hintergrundexpansion des Universums getrennt. Astronomen können die Struktur großer Halos dunkler Materie aus den Eigenschaften von Galaxien und ihrem Gas ableiten, haben jedoch keine Informationen über Halos, die zu klein sind, um eine Galaxie aufzunehmen.

Die größten Lichthöfe der Dunklen Materie im heutigen Universum enthalten riesige Galaxienhaufen, Haufen von Hunderten heller Galaxien. Ihre Eigenschaften wurden gut untersucht und sie wiegen mehr als eine Billion Mal so viel wie unsere Sonne. Andererseits sind die Massen der kleinsten Lichthöfe der dunklen Materie unbekannt. Die Theorie der Dunklen Materie, auf der der neue Supercomputer-Zoom basiert, legt nahe, dass sie eine ähnliche Masse wie die Erde haben könnten. Solche kleinen Lichthöfe wären extrem zahlreich und würden einen signifikanten Anteil der gesamten dunklen Materie im Universum enthalten, aber sie würden während der gesamten kosmischen Geschichte dunkel bleiben, da Sterne und Galaxien nur in Lichthöfen wachsen, die mindestens eine Million Mal so massereich sind wie die Sonne.

Das in China, Deutschland, Großbritannien und den USA ansässige Forschungsteam entwickelt, testet und führt seinen kosmischen Zoom seit fünf Jahren durch. Dies ermöglichte es ihnen, die Struktur von Halos aus dunkler Materie mit allen Massen zwischen der Erde und einem großen Galaxienhaufen zu untersuchen. In Zahlen: Zoom deckt einen Massenbereich von 10 ab³⁰ (d. h. eine 1 gefolgt von 30 Nullen), was die Anzahl der Kilo in der Sonne ist.

Überraschenderweise stellte das Team fest, dass alle Lichthöfe sehr ähnliche innere Strukturen aufweisen: Sie sind in der Mitte sehr dicht, werden nach außen hin immer diffuser, und in ihren äußeren Bereichen kreisen kleinere Klumpen um die Lichthöfe. Ohne eine Skala ist es fast unmöglich, zwischen dem Bild eines Halos aus dunkler Materie einer massiven Galaxie und einem Halo zu unterscheiden, der kleiner als die Masse der Sonne ist.

„Unsere Ergebnisse haben uns wirklich überrascht“, sagt Simon White vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. „Alle dachten, die kleinsten Klumpen dunkler Materie würden ganz anders aussehen als die großen, die wir bereits viel besser kennen. Aber als wir endlich in der Lage waren, ihre Eigenschaften herauszufinden, sahen sie genauso aus.“

Das Ergebnis hat auch eine potenzielle praktische Anwendung. Dunkle Materieteilchen können in der Nähe des Halo-Zentrums kollidieren und sich nach einigen Theorien gegenseitig zerstören und hohe Energie (Gammastrahlung) emittieren. Mit der neuen Zoomsimulation können Wissenschaftler berechnen, wie stark die Strahlung für Halos unterschiedlicher Masse sein würde.

Ein Großteil dieser Strahlung könnte von Halos aus dunkler Materie stammen, die zu klein sind, um Sterne zu enthalten. Zukünftige Gammastrahlenobservatorien könnten diese Emission erfassen und die kleinen Objekte einzeln oder als Ganzes „sichtbar“ machen. Dies würde die vermutete Natur der dunklen Materie bestätigen, die möglicherweise nicht vollständig dunkel ist.

Das Team berichtet über ihre Ergebnisse in einem speziellen Artikel in der Zeitschrift Natur
aufgetaucht sind.