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Kosmologie

Kaum Dunkle Materie in frühen Galaxien

Heutige Spiralgalaxien wie die Milchstraße werden von der Dunklen Materie dominiert. Überraschenderweise enthalten Galaxien im jungen Universum vergleichsweise wenig davon.
Schematische Darstellung von rotierenden Scheibengalaxien im frühen Universum (rechts) und heute (links)

Ein Blick in große räumliche Entfernungen im Universum ist ja wegen der begrenzten Lichtgeschwindigkeit stets auch ein Blick in die ferne Vergangenheit. Besonders weit und gründlich beobachtete nun eine internationale Forschergruppe vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und machte dabei eine überraschende Entdeckung: Verglichen mit heutigen Sterneninseln enthielten massereiche Galaxien auf dem Höhepunkt ihrer Sternentstehung vor etwa zehn Milliarden Jahren anteilsmäßig deutlich weniger Dunkle Materie. Stattdessen dominierte die gewöhnliche baryonische Materie aus Sternen und Gas ihre Rotationsgeschwindigkeiten. Für die Modelle der Entstehung und Entwicklung von Galaxien ist diese Erkenntnis von entscheidender Bedeutung, weist sie doch darauf hin, dass die Dunkle Materie in früheren Zeiten weit weniger einflussreich war als heute.

Rotierende Scheibengalaxien im heutigen und im frühen Universum (Übersichtsgrafik)
Rotierende Scheibengalaxien im heutigen und im frühen Universum | Im heutigen Universum rotieren Spiralgalaxien mit annähernd gleichen Geschwindigkeiten in ihren Außenbereichen (linkes Teilbild). Dagegen fällt die Rotationsgeschwindigkeit bei Galaxien im jungen Universum zu den Rändern der Scheibe hin rapide ab (rechtes Teilbild).

Während sich die baryonische Materie in Form von leuchtendem Gas oder funkelnden Sternen beobachten lässt, bleibt die Dunkle Materie unsichtbar – daher ihr Name. Sie macht sich lediglich durch ihre Schwerkraft bemerkbar und sorgt in nahen Spiralgalaxien für eine flache Rotationskurve: Abgesehen vom Zentrum bewegen sich alle Sterne in der Scheibe etwa gleich schnell um den Mittelpunkt der Galaxie, egal ob sie an deren Rand oder weiter innen liegen. Wäre dagegen nur baryonische Materie vorhanden, würde die Rotationskurve mit zunehmendem Radius abfallen und weiter außen befindliche Sterne würden sich langsamer bewegen. Die zusätzliche Schwerkraft der Dunklen Materie bewirkt also, dass die äußeren Bereiche von Galaxien schneller rotieren müssen, als es bei einer Scheibe aus rein baryonischer Materie der Fall wäre.

Genau solche abfallenden Rotationskurven beobachtete nun die Forschergruppe um den Astrophysiker Reinhard Genzel bei Galaxien im weit entfernten Universum, nur wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall: Mit den Instrumenten KMOS und SINFONI am Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile nahmen die Wissenschaftler Spektren von sechs sternbildenden, massereichen Galaxien auf und untersuchten deren Rotationsgeschwindigkeiten. Dabei stellten sie fest, dass die Außenbereiche dieser fernen Galaxien im Gegensatz zu nahen Spiralgalaxien langsamer rotierten. Ein überraschender Fund, für den Reinhard Genzel zwei Erklärungen hat: "Zum einen dominiert in den meisten dieser frühen, massereichen Galaxien eindeutig die normale Materie – Dunkle Materie spielt eine viel kleinere Rolle als im lokalen Universum. Zweitens waren diese frühen Scheibengalaxien viel turbulenter als die Spiralgalaxien, die wir in unserer kosmischen Nachbarschaft sehen. Diese Turbulenz trägt zur dynamischen Stabilität bei, also müssen sie sich nicht so schnell drehen."

Je weiter man in die Vergangenheit unseres Universums blickt, umso größer scheinen diese beiden Effekte zu werden. Das Gas hatte sich also wohl bereits drei bis vier Milliarden Jahre nach dem Urknall in Form von kompakten Galaxien angesammelt, da es auch durch andere Kräfte als die Gravitation mit seiner Umgebung wechselwirkte und dadurch schnell Energie verlor. Die umgebenden Halos aus Dunkler Materie dagegen verdichteten sich viel langsamer, weshalb ihr dominierender Einfluss erst durch das Rotationsverhalten heutiger Galaxien deutlich wird. Diese Erklärung wird durch Beobachtungen gestützt, die zeigen, dass Galaxien im frühen Universum deutlich kompakter waren und mehr Gas beinhalteten als solche in unserer kosmischen Nachbarschaft.

Detaillierte Modelle verdeutlichen, wie groß der Einfluss der unsichtbaren Masse in unserem Universum eigentlich ist: Demnach macht die Dunkle Materie annähernd die Hälfte der Gesamtmasse aller Galaxien aus. Für die sechs untersuchten Sterneninseln im frühen Universum ermittelten die Forscher dagegen Massenanteile der Dunklen Materie zwischen lediglich 0 und 21 Prozent, den großen Rest machen also Sterne und Gas aus. Zu jenen frühen Zeiten war der Einfluss baryonischer Materie somit deutlich größer als heute. Eine Stichprobe von 97 weiteren fernen Sterneninseln, die sich nach Annahme der Forscher einmal zu Spiralgalaxien entwickeln werden, stützt diese Erkenntnis. Da die Beobachtungsdaten nicht gut genug für Einzelmessungen waren, nutzten die Wissenschaftler eine neue Methode, um die Galaxien zu "stapeln". Die dadurch ermittelten zusammengesetzten Rotationskurven zeigen ebenfalls einen Abfall vom Zentrum der Galaxien zu ihrem Rand und weisen somit erneut auf den geringen Anteil von Dunkler Materie hin.

Die Arbeit der Forschergruppe liefert entscheidende Hinweise auf die wichtigen physikalischen Prozesse bei der Entstehung von Galaxien. Und sie wirft ein neues Licht auf die Frage, wie aus einem klumpigen Stern- und Gashaufen im frühen Universum eine so prachtvolle Scheibengalaxie wie die Milchstraße entstehen konnte.

11/2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 11/2017

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