Dennoch bewegt es sich an den Grenzen der Dunklen Materie

Die Forschungsgruppenstudie, an der auch das National Institute of Astrophysics beteiligt ist, stellt die allgemein verbreiteten kosmologischen Modelle zum Geheimnis der Dunklen Materie in Frage. Heute veröffentlicht am arXiv und in gedruckter Form auf Die astrophysikalischen TagebuchbriefeDas Ergebnis leistet einen wichtigen Beitrag zur Lösung des Rätsels der Dunklen Materie – deren Natur eine der großen Fragen der modernen Astrophysik ist, die immer noch unbeantwortet bleibt – und stellt möglicherweise allgemein verbreitete kosmologische Modelle in Frage. Das hat das Forschungsteam hinter der Studie gezeigt Die Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien bleiben selbst in sehr großen Entfernungen von ihrem Zentrum unerwartet konstantwas die Vorhersagen der modifizierten Gravitationstheorie der Modified Newtonian Dynamics (Mond) bestätigt, die das Vorhandensein dunkler Materie im Universum nicht berücksichtigt.

In dieser Arbeit wurde eine neue Technik entwickelt, die es ermöglicht, die sogenannten Rotationskurven von Galaxien – also die Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien von ihrem Zentrum aus – bis zu sehr großen Entfernungen zu messen, die etwa zwei Millionen und 500.000 Licht entsprechen Jahre. Die verwendete Technik nutzt das Phänomen der schwachen Gravitationslinse (schwacher Gravitationslinseneffekt). Die Auswirkungen dieser Entdeckung könnten möglicherweise sehr weitreichend sein und dazu führen, dass unser Verständnis der Dunklen Materie auch durch alternative kosmologische Theorien neu definiert wird.

Das Phänomen der Gravitationslinse wurde von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt und tritt auf, wenn ein massereiches Objekt, etwa ein Galaxienhaufen oder sogar ein einzelner massereicher Stern, mit seinem Gravitationsfeld den Weg des Lichts krümmt, das von einer entfernten Quelle kommt. Diese Lichtbeugung erfolgt, weil die Masse des Objekts das es umgebende Raumzeitgefüge verformt.

Federico Lelli (Inaf), Experte für die Dynamik von Galaxien und Galaxiensystemen (Gruppen und Cluster) als Testumgebungen sowohl für Theorien der Dunklen Materie als auch für alternative Gravitationstheorien. Bildnachweis: Inaf

„Wir haben die Technik von verwendet schwacher Gravitationslinseneffekt um die durchschnittliche „Rotationskurve“ von Galaxien unterschiedlicher Masse, die sehr große Entfernungen vom Zentrum erreichen, statistisch zu messen“, erklärt er Federico Lelli, erster Forscher am INAF in Arcetri und Mitautor der Studie. „Wir stellen fest, dass die Rotationskurven über Hunderttausende Lichtjahre, möglicherweise bis zu einigen Millionen Lichtjahren, weiterhin flach bleiben: Das ist überraschend, denn bei solchen Entfernungen würde man erwarten, den „Rand“ des Halos erreicht zu haben. dunkle Materie, daher sollten die Rotationskurven beginnen, eine Keplersche Abnahme zu zeigen, aber stattdessen bleiben sie flach.“

Rotationskurven messen die Geschwindigkeit, die ein Himmelskörper (z. B. ein Stern oder eine Gaswolke) in einer bestimmten Entfernung vom galaktischen Zentrum haben muss, um auf einer kreisförmigen Umlaufbahn um die Galaxie zu bleiben. Das Vorhandensein dunkler Materie in Galaxien wurde durch die Untersuchung der Rotationskurven in den Jahren zwischen 1970 und 1980 abgeleitet. Es wird angenommen, dass die Rotationskurven von Galaxien mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der Galaxie abnehmen sollten. Gemäß der Newtonschen Schwerkraft sollten Sterne an den äußeren Rändern der Galaxie aufgrund der geringeren Anziehungskraft langsamer sein. Da diese Hypothese nicht mit Beobachtungen übereinstimmt, haben Wissenschaftler das Vorhandensein sogenannter Dunkler Materie vermutet, die keine elektromagnetische Strahlung aussendet, sondern nur durch die Wirkung ihres Gravitationsfeldes nachweisbar wäre. Aber selbst wenn man die Existenz Dunkler Materie annimmt, sollte ihre Wirkung ab einem bestimmten Punkt mit zunehmender Entfernung schwächer werden und daher sollten die Rotationskurven von Galaxien nicht auf unbestimmte Zeit konstant bleiben.

Die Studie stellt diese Hypothese in Frage und liefert eine überraschende Erkenntnis: Der Einfluss dessen, was wir Dunkle Materie nennen, reicht weit über frühere Schätzungen hinaus, nämlich über mindestens eine Million Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt. Eine solch große Kraft könnte paradoxerweise darauf hindeuten, dass dunkle Materie, wie bisher verstanden, möglicherweise überhaupt nicht existiert.

„Diese Entdeckung stellt bestehende Modelle in Frage“, sagt er Tobias Mistele von der Case Western Reserve University und Erstautor der Studie, „was darauf hindeutet, dass entweder sehr große Halos aus dunkler Materie existieren oder dass wir unser Verständnis der Gravitationstheorie radikal überarbeiten müssen“.

„Wir haben diese Daten verwendet“, fügt Lelli hinzu, „um die Tully-Fisher-Beziehung zu untersuchen – ein Skalierungsgesetz zwischen der baryonischen Masse (aus der Sterne und Gas bestehen) und der Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien – und stellten fest, dass das gleiche Gesetz auch dann gilt, wenn.“ Wir verwenden Geschwindigkeiten, die in sehr großen Entfernungen gemessen werden. Dieses Ergebnis ist überhaupt nicht offensichtlich, da in solchen Entfernungen die Rotationsgeschwindigkeit vollständig von der Dunklen Materie und nicht von der baryonischen Materie bestimmt wird. Die Beobachtungen ermöglichen es uns, enorm große Entfernungen vom galaktischen Zentrum zu erreichen, etwa zwanzigmal größer als mit klassischen Techniken. Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass die Rotationskurven bis zu den größten Entfernungen, die wir erreichen können, nahezu vollkommen flach bleiben – mit anderen Worten, die Geschwindigkeit bleibt konstant.“

Mit dieser Art von Studie soll die Natur der Dunklen Materie geklärt werden oder ob diese Gravitationsphänomene auf einen neuen, noch zu entdeckenden Typ „unsichtbarer“ Elementarteilchen zurückzuführen sind oder ob eine Überprüfung der Gravitationsgesetze von Newton und Einstein erforderlich ist .

„Dieses Ergebnis hat im üblichen kosmologischen Kontext der Lambda-Kalten-Dunklen-Materie (Lambda-Cdm) keine offensichtliche Erklärung und könnte mit der Umgebung der Galaxie zu tun haben“, präzisiert Lelli, „d. h. mit der Verteilung der kleinsten Halos aus dunkler Materie.“ von dem angenommen wird, dass er den Haupthalo umkreist. Um diesen Effekt zu begrenzen, haben wir unsere Galaxien tatsächlich so isoliert wie möglich ausgewählt.“

Flache Rotationskurven bis hin zu großen Radien wurden bereits durch die modifizierte Mond-Gravitationstheorie vorhergesagt, die der Physiker Mordehai Milgrom 1983 als Alternative zur Dunklen Materie vorschlug. „Unsere Beobachtungen stimmen mit dem überein, was Mond vor mehr als 40 Jahren vorhergesagt hat“, schlussfolgert Lelli.

Weitere Studien sind nun notwendig, um das zwingende kosmologische Rätsel zu klären und eine neue Seite in der Geschichte der modernen Astrophysik zu schreiben.

Mehr wissen:

Sehen Sie sich den Videodienst an MediaInaf TV: