Zwerggalaxien liefern starkes Indiz für Dunkle Materie

Dunkle Materie ist eines der hartnäckigsten Rätsel der Astronomie und Kosmologie. Sie wurde in den 1960er-Jahren als theoretische Masse eingeführt, um die Rotationskurven von Galaxien zu erklären, die auf mehr Masse hinwiesen, als durch die sichtbaren Sterne erklärbar war. Trotz jahrzehntelanger Forschung wurde bisher jedoch kein direkter Nachweis dieser unsichtbaren Materie oder ihrer Zusammensetzung gefunden.

Zwerggalaxien als ideale Testkandidaten

Das Forscherteam um das Leibniz Institut für Astrophysik Potsdam nutzte präzise Spektraldaten, um aus den Geschwindigkeiten einzelner Sterne die innere Schwerkraft von zwölf extrem lichtschwachen Zwerggalaxien abzuleiten. Diese Systeme gehören zu den kleinsten bekannten Galaxien überhaupt und gelten als besonders sensibel für Tests der Gravitation, da ihre sichtbare Masse sehr gering ist.

Beim Vergleich mit Vorhersagen der sogenannten Modified Newtonian Dynamics (MOND), einer alternativen Gravitationstheorie für sehr kleine Beschleunigungen, zeigten sich deutliche Abweichungen. Die gemessenen Beschleunigungsprofile ließen sich durch sichtbare Sterne und Gas allein nicht reproduzieren.

Unsichtbare Halos statt veränderter Gravitation

Das Team spielte  Szenarien mit umgebenden Halos Dunkler Materie durch. Mithilfe umfassender Simulationen auf einem Hochleistungsrechner entstanden Modelle, in denen unsichtbare Materie die Sternbewegungen mitprägt.

Diese Modelle passten deutlich besser zu den Daten der Zwerggalaxien. Vor allem die radiale Verteilung der Gravitation stützte das Bild, dass eine zusätzliche Massekomponente wirkt, die nicht leuchtet, aber gravitativ dominiert.

Die Ergebnisse engen damit den Spielraum für Theorien ein, die ohne Dunkle Materie auskommen wollen. Bei den kleinsten Galaxien scheint eine reine Änderung der Gravitationsgesetze nicht auszureichen, um die Beobachtungen zu erklären.

Eine Theorie gerät ins Wanken

Die Studie stellt zudem eine lange als nahezu universell angenommene Theorie infrage: die Radial Acceleration Relation (RAR). Diese besagt, dass sich aus der Verteilung der sichtbaren Materie direkt die Stärke des Gravitationsfeldes in einer Galaxie ableiten lässt.

Für große Spiralgalaxien bleibt diese Beziehung weitgehend gültig. In den extrem lichtschwachen Zwerggalaxien jedoch weichen die Messwerte ab. Ähnliche sichtbare Masse führt dort zu unterschiedlichen Gravitationsbeschleunigungen, was auf zusätzliche, unsichtbare Einflüsse hindeutet.

Die Forschenden betonen, dass die Arbeit Dunkle Materie zwar nicht direkt nachweist und die Natur dieser Materie offen bleibt. Sie schränkt aber alternative Erklärungen ein und zeigt, wo weitere Beobachtungen ansetzen sollen: bei noch schwächeren und weiter entfernten Zwerggalaxien, in denen das Signal der unsichtbaren Masse besonders klar hervortritt.

Quellen:

Universe Today

University of Surrey