Die statische Lichtgeschwindigkeit sorgt dafür, dass Astronomen ferne Galaxien nicht so sehen, wie sie sind, sondern so, wie sie vor langer Zeit existierten. Dasselbe gilt für die Materie (normal oder dunkel), die diese alten Galaxien umgibt.
Astronomen nutzten dieses Wissen – sowie ein kosmisches Signal, das kurz nach dem Urknall gesendet wurde – kürzlich, um zu kartieren, wie dunkle Materie vor etwa 12 Milliarden Jahren um Galaxien verteilt war. Kurz gesagt, sie fanden heraus, dass die dunkle Materie weniger „klumpig“ war als erwartet, was, wenn es bestätigt wird, darauf hindeuten würde, dass viele akzeptierte Modelle der Kosmologie überarbeitet werden müssen.
Die neuen Ergebnisse werden in einer Studie vorgestellt, die am 1. August in Physical Review Letters veröffentlicht wurde.
Zurück zu den Anfängen
Obwohl es schwierig ist, „unsichtbare“ Materie zu messen, umfasst der typische Ansatz zwei Galaxien, eine im Vordergrund und eine im Hintergrund. Laut Einstein verzerrt die immense Schwerkraft der Vordergrundgalaxie tatsächlich das Raum-Zeit-Gefüge in ihrer Nähe. Wenn also Licht von der Hintergrundgalaxie an der Vordergrundgalaxie vorbeiläuft, wird es wie durch eine optische Linse gebogen. Dies führt dazu, dass die Hintergrundgalaxie sowohl stark verzerrt als auch vergrößert wird, ein Phänomen, das als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird.
Da die Hintergrundgalaxie (oder „Quellgalaxie“) stärker verzerrt erscheint, wenn die Vordergrundgalaxie („Linsengalaxie“) viel Masse hat, können Astronomen die Verzerrungen analysieren, um die Verteilung der Materie – einschließlich der Dunklen Materie – um die Linse herum zu bestimmen Galaxis.
Aber diese Methode funktioniert nur, wenn die Quellgalaxie hell genug ist, um tatsächlich Licht auf die Linsengalaxie zu werfen. Und weil weit entfernte Galaxien extrem lichtschwach sind, konnten Astronomen bisher keine dunkle Materie in Galaxien von vor etwa 8 bis 10 Milliarden Jahren beurteilen. Dies hat sie über die wahre Struktur des frühen Universums weitgehend im Dunkeln gelassen.
Um dieses Hindernis zu überwinden, hat ein Team von Astronomen kürzlich den Ansatz geändert. Anstatt zwei Galaxien zu verwenden, entschieden sie sich für eine weiter entfernte Lichtquelle anstelle einer Quellgalaxie: den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), der emittiert wurde, als das Universum gerade 300.000 Jahre alt war.
„Es war eine verrückte Idee“, sagte Masami Ouchi, Studienautor und Astronom an der Universität Tokio, in einer Pressemitteilung. „Niemand hat gemerkt, dass wir das schaffen können.“
„Die meisten Forscher verwenden Quellgalaxien, um die Verteilung der Dunklen Materie von der Gegenwart bis vor 8 Milliarden Jahren zu messen“, fügte Yuichi Harikane, Studienautor und Astronom an der Universität Tokio, hinzu. „Allerdings konnten wir weiter in die Vergangenheit zurückblicken, weil wir das weiter entfernte CMB zur Messung der Dunklen Materie genutzt haben. Zum ersten Mal haben wir dunkle Materie aus fast den frühesten Momenten des Universums gemessen.“
Dunkle Materie erleuchten
Um ihren neuen Ansatz anzuwenden, wählten die Astronomen 1,5 Millionen Galaxien aus – alle so, wie sie vor etwa 12 Milliarden Jahren aussahen – um gemeinsam als Gravitationslinse zu dienen. Und mit dem weiter entfernten CMB als Hintergrundlichtquelle konnte das Team messen, wie dunkle Materie um diese Linsengalaxien verteilt war.
„Ich war froh, dass wir ein neues Fenster in diese Ära geöffnet haben“, sagte Hironao Miyatake, ein weiterer Studienautor und Astronom an der Universität Nagoya, in einer Pressemitteilung. „Vor 12 Milliarden Jahren war das noch ganz anders.“
Laut dem Team könnten ihre Ergebnisse gängige Theorien der Kosmologie in Frage stellen, einschließlich der Vorstellung, dass winzige Abweichungen im CMB ursprünglich zu den frühesten Materieklumpen führten, die sich schließlich zu Sternen und Galaxien formten. Wie sich herausstellte, war das Universum in seinen Anfangsjahren viel homogener als bisher angenommen.
„Unser Befund ist noch ungewiss“, sagte Miyatake in einer Pressemitteilung. „Aber wenn es wahr ist, würde es darauf hindeuten, dass das gesamte Modell fehlerhaft ist, wenn man weiter in die Vergangenheit geht. Das ist spannend, denn wenn das Ergebnis nach Reduzierung der Unsicherheiten Bestand hat, könnte es auf eine Verbesserung des Modells hindeuten, die einen Einblick in die Natur der Dunklen Materie selbst geben könnte.“
Letztendlich, so das Team, wird ihr Ansatz den Astronomen genauere Messungen der Menge und Verteilung der Dunklen Materie in alten Galaxien ermöglichen. Es wird Astronomen auch ermöglichen, andere Aspekte des frühen Universums zu erforschen.
„Eine der Stärken der Betrachtung des Universums mit groß angelegten Vermessungen, wie sie in dieser Forschung verwendet werden, besteht darin, dass Sie alles untersuchen können, was Sie auf den resultierenden Bildern sehen, von nahe gelegenen Asteroiden in unserem Sonnensystem bis zu den entferntesten Galaxien aus dem frühen Universum“, sagte Michael Strauss, Professor für astrophysikalische Wissenschaften an der Princeton University, der nicht an der Forschung beteiligt war, in einer Pressemitteilung. „Sie können dieselben Daten verwenden, um viele neue Fragen zu untersuchen.“