Überreste eines Aufpralls zwischen zwei Galaxien könnten Licht auf dunkle Materie werfen

Vor acht Milliarden Jahren – als das Universum ungefähr ein Drittel seines heutigen Alters hatte – prallten zwei Zwerggalaxien aufeinander. Die Sterne und die dunkle Materie in diesen Galaxien schafften es, ohne allzu große Probleme aneinander vorbeizukommen. Aber die Dinge waren nicht sonicht so einfach für die riesige Menge an Gas, die in den beiden Galaxien enthalten ist. Die Kraft der Kollision verwandelte dieses Gas in neue Galaxien und mehrere hell leuchtende Sternhaufen, die in einer Linie angeordnet sind, die die beiden Zwerggalaxien verbindet.

Dieses Szenario erklärt eine schockierende Beobachtung, die Forscher vor fünf Jahren gemacht haben: zwei Galaxien ohne dunkle Materie. Das Galaxienpaar war für Astrophysiker so ein Rätsel, weil dunkle Materie — ein flüchtige Substanz das macht 85 Prozent von allem im Universum aus – ist anscheinend ein unentbehrlicher Bestandteil bei der Entstehung von Galaxien.

Die neue Forschung wird in einem vorgestelltArtikel veröffentlicht am Mittwoch im Peer-Review-JournalNatur.

IEsetzte sich mit Astrophysiker zusammenMike Boylan-Kolchin, ein außerordentlicher Professor an der University of Texas in Austin, der die Entstehung von Galaxien untersucht, um die neuen Erkenntnisse zu diskutieren.

Interessante Technik | wissenschaft-x.com: Was ist Dunkle Materie?

Mike Boylan-Kolchin: Dunkle Materie ist nur ein Sammelbegriff für etwas, von dem wir nicht genau wissen, was es ist. Wir wissen, dass es sich in dem Sinne wie Materie verhält, dass es sich verdünnt, wenn sich das Universum ausdehnt, aberes interagiert nicht mit elektromagnetischer Kraft. Also interagiert es nicht mit Licht, außer mit der Gravitation. Es interagiert sehr schwach mit normaler Materie, und das bedeutet, dass es sehr schwer zu erkennen sein kann.

IE: Wenn es so schwer zu entdecken ist, woher wissen Forscher dann, dass es existiert?

MB: Wir sehen überall Beweise dafür, wie zum Beispiel in den Bewegungen von Sternen und Galaxien. Wir wissen, dass es in Galaxien viel mehr Masse gibt, als Sie erklären können, indem Sie einfach alle sichtbaren Komponenten der Galaxien addierenGalaxie. Das hat die Leute dazu gebracht, auf sehr ernsthafte Weise über dunkle Materie zu sprechen.

Wir sehen auch Beweise dafür in viel größeren Maßstäben. Das Urknallmodell erfordert, dass dunkle Materie für das Universum genügend Struktur hat, um von den allerersten Phasen bis zum heutigen Tag zu wachsen. Ohne dunkle Materie können wir nicht aus demAnfangsbedingungen für das, was wir heute sehen. Dunkle Materie ist wesentlich, um die großräumige Verteilung der Materie zu erreichen, die wir heute um uns herum sehen.

IE: Wie haben Forscher festgestellt, dass es in dem System, das sie in der neuen Arbeit beschreiben, so wenig dunkle Materie gibt?

MB: Sie haben die gesamte reguläre atomare Materie gemessen – in dieser Art von System sind es meistens Sterne. Wenn Sie wissen, wie viel Masse in einem System vorhanden ist, dann wissen Sie, wie schnell sich die Dinge bewegen sollten, basierend auf den Kepler-Gesetzen. Wenn ichwissen, wie schnell sich die Dinge bewegen, das sagt mir, wie viel Masse sich in diesen Umlaufbahnen befindet.

Wenn Sie die Berechnung zur Bestimmung der Sonnenmasse basierend auf der Geschwindigkeit der Erdumlaufbahn durchgeführt und eine Zahl herausgefunden hätten, die zehn- oder 100-mal massereicher ist als die tatsächliche Masse der Sonne, könnte dies darauf hinweisen, dass dies der Fall warzusätzliche Masse innerhalb der Erdumlaufbahn. Natürlich sehen wir das nicht für die Erde, die sich um die Sonne bewegt, aber es ist normalerweise das, was man in Galaxien sieht. Es gibt eine fehlende Masse, die dunkler Materie zugeschrieben wird.

In dieser Galaxie haben sie keine solche Diskrepanz gesehen. Sie könnten im Grunde die gesamte Bewegung der Sterne nur mit der Masse erklären, die sie in der Galaxie gesehen haben, also gibt es sehr wenig Bedarf, dunkle Materie anzurufenin dieser Galaxie besonders.

IE: Wie haben Astrophysiker auf diese überraschende Beobachtung reagiert, als sie vor fünf Jahren erstmals veröffentlicht wurde?

MB: Ich denke, gesunde Skepsis ist das richtige Schlagwort dafür. Die Leute waren fasziniert und versuchten zu Recht, herauszufinden, wo einige Fehler gemacht worden sein könnten. Es gab eine Frage, wie weit diese Galaxie entfernt ist. Das ist wichtig, weiles beeinflusst unsere Berechnung seiner Masse. Die Leute haben auch einige andere Aspekte in Frage gestellt.

Es gab einen großartigen iterativen Prozess, bei dem die Leute immer wieder potenzielle Möglichkeiten aufzeigten, wie diese Messung falsch gewesen sein könnte. Die Autoren kamen immer wieder zurück und sagten: „Nun, okay, das ist eine gute Idee. Wir haben es überprüft, und hier ist der Grund dafür wirfinde es nicht angemessen.

Ich denke, es hat auch eine Menge Forschung von anderen Gruppen angespornt. Ich war Teil von einigen, die versucht haben zu sagen: „Hey, sehen wir diese in unseren Simulationen, jetzt wo wir wissen, dass sie existieren könnten? Können wir rausgehenund sehen und sehen? Hätten wir das erwartet, wenn wir gewusst hätten, danach zu suchen?“

IE: Was haben Ihre Simulationen ergeben?

MB: Wir fanden einige Galaxien, die so aussahen, nachdem wir zurückgegangen waren und sie uns angesehen hatten. Nun, die Simulationen waren nicht dazu gedacht, dieses spezielle System zu reproduzieren. Es ist nicht so, dass wir zu Steintafeln gingen und fanden, dass Moses es vorhergesagt hatteWir haben uns vielmehr die besten, größten und höchstauflösendsten Simulationen angesehen und festgestellt, dass wir aufgrund der derzeitigen Annahmen sehen können, wie sich Dinge wie dieses System entwickeln.Die Simulationen können uns Hinweise darauf geben, wie sie sich entwickeln könntengebildet haben.

IE: Ist es fair zu sagen, dass Sie überprüft haben, ob die Mathematik funktioniert?

MB: Ja, die Simulationen lassen uns fragen, ob Szenarien wie das in diesem Papier vorgestellte plausibel sind. Funktionieren sie im Detail, im Gegensatz zu nur einem hypothetischen Szenario? Gibt es Ihnen die richtige Massenverteilung? Ist die richtigeWie viel Kollisionsgeschwindigkeit ist für dieses Szenario erforderlich?

IE: Haben Ihre Kollegen andere Hypothesen diskutiert, um diese Beobachtungen zu erklären, als sie vor fünf Jahren herauskamen?

MB: Andere Modelle wurden herangezogen, um über diese Beobachtungen zu sprechen. Viele von ihnen beinhalten eine starke Form der Wechselwirkung zwischen den fraglichen Galaxien und entweder einer anderen Galaxie – möglicherweise die größte Galaxie in der Mitte – oder etwas anderem, das dies tun würdeermöglichen, dass die Galaxien von dunkler Materie befreit und auf eine so große Größe aufgebläht werden. Die Erklärungen beinhalten typischerweise eine Art gemeinsamen Nenner der Wechselwirkungen zwischen Galaxien.

IE: Wie erklären die Autoren des neuen Papers ihre Beobachtungen?

MB: Die Idee dahinter ist, dass Galaxien nicht immer für sich allein leben. Zum Beispiel hat unsere eigene Milchstraße eine ganze Reihe kleinerer Satellitengalaxien, die sie umkreisen, so wie Planeten die Sonne umkreisen. Es gibt vielekleine Galaxien im Orbit um die Milchstraße.

Das Szenario in dem neuen Artikel ist, dass zwei Galaxien eine größere Galaxie umkreisen und ineinander prallen. Nun, das ist ziemlich selten. Noch seltener ist, dass eine von ihnen von außerhalb des Systems kommen musste und zufällig hineinpralltedie Galaxie, die bereits in diesem System lebte. Deshalb prallen sie mit sehr hoher Geschwindigkeit aufeinander.

Wenn sie ineinander prallen, hat das Gas in den Galaxien viele Wechselwirkungen, so dass es zumindest anfangs nahe am Kollisionspunkt bleibt. Die dunkle Materie spürt nichts außer der Schwerkraft, also geht sie einfach hindurch. Dastrennt in diesen Galaxien die dunkle Materie von der regulären Materie – dem Gas – Nach dieser Kollision wird das Gas auf eine sehr hohe Dichte komprimiert, was der Bildung vieler neuer Sterne in diesen beiden Subsystemen förderlich ist, die dann getrennt werdenaus der dunklen Materie, die die Galaxien enthalten hatten.

IE: Sind Sie mit dieser Erklärung zufrieden?

MB: Es scheint alles sehr gut aufeinander abzustimmen, aber es gibt eine Reihe von Dingen, die man testen könnte. Sie haben auf ein paar Stellen hingewiesen, an denen wir nach Klumpen dunkler Materie suchen könnten, die von diesen anderen verdrängt wurdenGalaxien. Das ist ein großartiger Folgetest. Sie fanden auch einige zusätzliche Galaxien, die sich entlang dieses potenziellen Kollisionspfads befinden. Ein besseres Verständnis der Eigenschaften dieser Galaxien würde uns helfen zu verstehen, ob dies das richtige Szenario ist.

Ich denke, eine der stärksten Vorhersagen, die diese Hypothese macht, ist, dass das Alter der Sternhaufen in diesen beiden Galaxien gleich sein würde. Das ist etwas, was wir rausgehen und messen könnten. Sie wissen, wann dieses Ereignis hätte passieren sollen, also dieDie resultierenden Sterne sollten sich etwa zur gleichen Zeit gebildet haben. Ich erwarte weitere Forschungen dazu und weitere Tests, um diese Vorhersagen zu bestätigen, die dieses Modell macht.

IE: Erfordert dieses Modell, dass wir irgendwelche grundlegenden Erkenntnisse ändern, die wir vorher hatten? Oder stimmt es vollständig mit der bestehenden Theorie überein?

MB: Eine Frage, die interessant zu beantworten sein wird, ist, wie wahrscheinlich es ist, dass zwei kleine Galaxien wie diese mit dieser Art von Geschwindigkeit kollidieren. Ist das etwas, von dem wir erwarten sollten, dass wir es häufig finden? Oder ist das sehr seltenArt von Ereignis, das im Universum einmalig ist? Das sind die Dinge, die wir jetzt überprüfen können, da wir Zahlen über diese Art von Entstehungsszenario haben.

Die andere Sache, die die Autoren am Ende des Artikels betonen, ist, dass es möglich sein könnte, diese Erkenntnisse auf Theorien der Dunklen Materie anzuwenden, um genau zu verstehen, wie nicht-interaktive Dunkle Materie ist. Wenn Dunkle Materie an sich selbst haften kann –und es gibt Modelle der Dunklen Materie, bei denen sie ein wenig mit sich selbst interagiert – dann würden die Klumpen der Dunklen Materie in diesen Galaxien nicht so weit reisen, wenn sie sich gegenseitig durchqueren.Wenn es ein wenig Wechselwirkung gibt, würden sie langsamerzu bestimmen, wo diese Klumpen tatsächlich enden, könnte uns dabei helfen, die Eigenschaften der Dunklen Materie besser zu verstehen, was wirklich spannend wäre.

IE: Gibt es gerade dunkle Materie um mich herum?

MB: Ja, das gibt es. Es gibt definitiv überall dunkle Materie. Wir denken, dass sie eine sehr geringe Dichte hat. Ich würde sagen, es ist vielleicht [bei der Dichte von] einem Wasserstoffatom pro Kubikzentimeter oder so etwas. Es ist auf dem Niveau, auf dem wir uns befindensehr selten in der Lage, es auf der Erde zu sehen. Die Art und Weise, wie Menschen versuchen, nach diesen Teilchen der Dunklen Materie zu suchen, besteht darin, riesige Detektoren im Untergrund zu entwickeln, wo sie hin und wieder mit der normalen Materie interagieren können.

Da es nicht wirklich anders als durch die Gravitation interagieren kann, kann es nicht zu der hohen Dichte verklumpen, die wir für die normale atomare Materie erhalten. Das passiert, weil atomare Materie Energie ausstrahlen, abkühlen und Dinge tun kannso. Dunkle Materie hat nicht die Möglichkeit, sich selbst abzukühlen. Obwohl sie auf sehr großen Skalen sehr wichtig ist, ist sie auf kleinen Skalen wie der Erde, dem Mond, dem Sonnensystem und sogar den nächsten Sternen völlig unwichtig.

IE: Was sagt uns das Gespräch rund um diese Erkenntnisse über die Astrophysik als Fachgebiet? Zeigt es Risse oder grundlegende Meinungsverschiedenheiten auf?

MB: Es gibt eine kleine Minderheit von Kosmologen, die nicht glauben, dass dunkle Materie die beste Erklärung für diese Phänomene ist. Sie denken, dass die Gesetze der Schwerkraft modifiziert werden müssen. Sie haben sich diese Beobachtung angesehen und gefragt, ob es ein Beweis dafür istihr Standpunkt ist richtig. Bietet die Tatsache, dass diese Galaxie keine dunkle Materie zu brauchen scheint, einen Beweis für ihre Theorie, die manchmal als modifizierte schwerkraftmodifizierte Newtonsche Dynamik bezeichnet wird?

IE: Wäre es fair, diese Forscher als Skeptiker der Dunklen Materie zu bezeichnen?

MB: Ja, ich denke, das ist eine gute Art, sie zu beschreiben. Auch dies ist eine ziemlich kleine Minderheit. Die meisten Menschen, mich eingeschlossen, glauben, dass es sehr starke Beweise für die Existenz von dunkler Materie oder so etwas gibt. Aber natürlich, wir müssen offen bleiben.

Ich denke, der Artikel hier gibt ein Szenario, in dem das Standardbild der Entstehung dunkler Materie und Galaxien die Beobachtungen tatsächlich recht gut erklärt. Es gab dunkle Materie, die diese Galaxien umgab, und sie wurden während dieser Kollision von ihrer dunklen Materie getrennt. Das wird es seinEs ist interessant zu sehen, wie dies von verschiedenen Lagern im Feld aufgenommen wird, während dies voranschreitet.

Dies wird nicht das letzte Wort sein, aber ich denke, es ist eine sehr interessante und bemerkenswerte Ergänzung des Gesprächs. Es bietet ein überzeugendes Bild davon, wie dieses System hätte entstehen können.