Die detaillierteste Karte der Dunklen Materie unseres Universums ist seltsam glatt

Die Kuppel des Victor M. Blanco-Teleskops in Chile. Reidar Hahn, Fermilab

Der Versuch, dunkle Materie zu beschreiben, ist wie der Versuch, einen Geist zu beschreiben, der in Ihrem Haus lebt. Sie können es überhaupt nicht sehen, aber was Sie kann sehen ist all das Zeug, das es bewegt. Und die einzige Erklärung ist eine unsichtbare Kraft, die Sie nicht direkt beobachten oder messen oder mit der Sie interagieren können.

Wir wissen, dass dunkle Materie existiert, weil wir ihre Auswirkungen auf all das Zeug beobachten können, das im Universum herumwirbelt. Wissenschaftler schätzen, dass etwa 27 % des Universums aus dunkler Materie besteht (68 % sind dunkle Energie und die letzten 5 % sind gewöhnliche Materie und Energie). Die Fragen, die sich alle stellen: Wo genau befindet sich all das schwer fassbare Zeug? Und wie verteilt es sich im Universum?

Ein internationales Projekt von über 400 Wissenschaftlern namens Dark Energy Survey arbeitet daran, sie zu beantworten. Es hat gerade die größte und detaillierteste Karte der Dunklen Materie im Universum veröffentlicht – mit einigen unerwarteten Erkenntnissen, die noch nicht genau mit den Ideen der Physik übereinstimmen, die bis zu Albert Einstein und seiner Allgemeinen Relativitätstheorie zurückreichen.

Das DES ist ein Versuch, so viele Galaxien wie möglich als Stellvertreter für die Kartierung der Dunklen Materie abzubilden, was möglich ist, weil die Schwerkraft der Dunklen Materie eine wichtige Rolle bei der Verteilung dieser Galaxien spielt. Von August 2013 bis Januar 2019 kamen Dutzende von Wissenschaftlern zusammen, um mit dem Vier-Meter-Teleskop Victor M. Blanco in Chile den Himmel im nahen Infrarot zu vermessen.

Es gibt zwei Schlüssel zum Erstellen der Karte. Die erste besteht einfach darin, den Standort und die Verteilung von Galaxien im gesamten Universum zu beobachten. Diese Anordnung gibt Wissenschaftlern Hinweise darauf, wo sich die größten Konzentrationen dunkler Materie befinden.

Das zweite ist die Beobachtung des Gravitationslinseneffekts, eines Phänomens, bei dem das von Galaxien emittierte Licht von dunkler Materie gravitativ gestreckt wird, während es sich durch den Weltraum bewegt. Der Effekt ähnelt dem Blick durch eine Lupe. Wissenschaftler verwenden Gravitationslinsen, um abzuleiten, wie viel tatsächlicher Raum in der Nähe von Dunkler Materie eingenommen wird. Je verzerrter das Licht, desto klumpiger die dunkle Materie.

Die neuesten Ergebnisse berücksichtigen die ersten drei Jahre der DES-Daten und zählen mehr als 226 Millionen Galaxien, die in 345 Nächten beobachtet wurden. Wir sind jetzt in der Lage, dunkle Materie über ein Viertel der südlichen Hemisphäre zu kartieren, sagt Niall Jeffrey, ein Forscher vom University College London und der École Normale Supérieure in Paris, einer der Leiter des DES-Projekts.

Die bisherige Ausdehnung der DES-Dunkle-Materie-Karte des Himmels nach neuesten Erkenntnissen. Die hellen Flecken stellen die höchsten Konzentrationen an dunkler Materie dar, während dunklere Bereiche eine geringe Dichte anzeigen.

UMFRAGE ÜBER DUNKLE ENERGIE

Im Allgemeinen stimmen die Daten mit dem sogenannten Standardmodell der Kosmologie überein, das davon ausgeht, dass das Universum im Urknall erschaffen wurde und dass sein gesamter Masse-Energie-Gehalt zu 95 % aus dunkler Materie und dunkler Energie besteht. Und die neue Karte ermöglichte den Wissenschaftlern einen detaillierteren Blick auf einige riesige Strukturen der Dunklen Materie des Universums, die sonst für uns unsichtbar bleiben. Die hellsten Punkte auf der Karte stellen die höchsten Konzentrationen an Dunkler Materie dar, und sie bilden Cluster und Halos um Hohlräume mit sehr geringer Dichte.

Einige Ergebnisse waren jedoch überraschend. Wir haben Hinweise darauf gefunden, dass das Universum glatter ist als erwartet, sagt Jeffrey. Diese Hinweise finden sich auch in anderen Gravitationslinsen-Experimenten.

Dies ist nicht das, was die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, die darauf hindeutet, dass dunkle Materie klumpiger und weniger gleichmäßig verteilt sein sollte. Die Autoren schreiben in einer der 30 Zeitungen veröffentlicht, dass, obwohl die Beweise keineswegs endgültig sind, wir vielleicht beginnen, Hinweise auf neue Physik zu sehen. Für Kosmologen würde dies einer möglichen Änderung der von Einstein beschriebenen Gravitationsgesetze entsprechen, sagt Jeffrey.

Obwohl die Auswirkungen enorm sind, ist Vorsicht geboten, da wir eigentlich immer noch so wenig über dunkle Materie wissen (etwas, das wir noch nicht direkt beobachten müssen). Jeffrey merkt zum Beispiel an, dass, wenn sich nahe gelegene Galaxien aufgrund komplexer Astrophysik auf seltsame Weise in einer seltsamen Ausrichtung bilden, unsere Linsenergebnisse in die Irre geführt würden.

Mit anderen Worten, es könnte sehr wohl einige exotische Erklärungen für die Ergebnisse geben – vielleicht Erklärungen für sie auf eine Weise, die mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar ist. Das wäre eine große Erleichterung für jeden Astrophysiker, dessen gesamtes Lebenswerk darauf basiert, dass Einstein, nun ja, Recht hat. Und vergessen wir nicht: Die allgemeine Relativitätstheorie hat sich bemerkenswert gut geschlagen jede andere Prüfung das wurde über die Jahre darauf geworfen.

Die Ergebnisse schlagen bereits Wellen, auch wenn mehrere weitere DES-Datenveröffentlichungen anstehen. Astronomen verwenden diese Karten bereits, um die Strukturen des kosmischen Netzes zu untersuchen und die Verbindung zwischen Galaxien und dunkler Materie besser zu verstehen, sagt Jeffrey. Wir müssen möglicherweise nicht zu lange warten, um herauszufinden, ob die Ergebnisse wirklich ein Ausreißer sind oder ob unser Verständnis des Universums einer massiven Umschreibung bedarf.

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