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Präzise Untersuchungen der VST-Aufnahmen eines großen Teils des Himmels enthüllen interessantes Ergebnis

Dunkle Materie in der Region der KiDS-Durchmusterung (Region G15)

Diese Karte zeigt die Verteilung der Dunklen Materie im Universum und wurde aus Daten der KiDS-Durchmusterung mit dem VLT Survey Telescope am Paranal-Observatorium der ESO in Chile erstellt. Sie enthüllt ein weitreichendes Netz aus dichten (hellen) und leeren (dunklen) Regionen. Dieses Bild zeigt einen von fünf Bereichen des Himmels, die von KiDS beobachtet wurden. Die unsichtbare dunkle Materie ist hier in rosa dargestellt und deckt einen Bereich des Himmels ab, der dem 420-fachen der Größe des Vollmonds entspricht. Diese Bildrekonstruktion entstand durch die Analyse des Lichts, das aus mehr als drei Millionen fernen Galaxien gesammelt wurde, die mehr als 6 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Das Licht in den beobachteten Galaxienbildern wurden auf seiner Reise durchs Universum durch die Anziehungskraft der dunklen Materie verzerrt.

In dem Bild kommen auch einige kleine dunkle Regionen mit scharfen Grenzen zum Vorschein. Dort finden sich helle Sterne und andere nahe Objekte, die den Beobachtungen fernerer Galaxien im Weg sind und deshalb in diesen Karten ausgeblendet werden, da in diesen Gebieten kein Signal des schwachen Gravitationslinseneffektes gemessen werden kann.

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Die Auswertung einer riesigen neuen Galaxien-Durchmusterung deutet darauf hin, dass Dunkle Materie weniger dicht und dafür gleichmäßiger im gesamten Weltraum verteilt sein könnte, als bisher angenommen. Ein internationales Astronomenteam, unter ihnen auch Wissenschaftler vom Argelander-Institut für Astronomie in Bonn, analysierte Daten aus dem Kilo Degree Survey (KiDS), der mit dem VLT Survey Telescope der ESO in Chile durchgeführt wurde, um zu untersuchen, wie das Licht von etwa 15 Millionen entfernten Galaxien auf großen Skalen durch die Gravitationskraft der Materie im Universum beeinflusst wurde. Die Ergebnisse scheinen im Widerspruch zu früheren Ergebnissen des Planck-Satelliten zu stehen.

Unter der Leitung von Hendrik Hildebrandt vom Argelander-Institut für Astronomie in Bonn und Massimo Viola von der Sternwarte Leiden in den Niederlanden wertete ein Astronomenteam [1] von Instituten aus aller Welt Bilder des Kilo Degree Survey (KiDS) aus, die mit dem VLT Survey Telescope (VST) der ESO in Chile aufgenommen wurden. Die für die Auswertung verwendeten Aufnahmen decken insgesamt fünf Himmelsregionen mit einer Gesamtfläche von etwa dem 2200-fachen der Größe des Vollmonds ab [2] und enthalten rund 15 Millionen Galaxien.

Dank der ausgezeichneten Bildqualität des VST am Paranal und innovativer Computer-Software gelang dem Team eine der präzisesten Messungen, die je zum Effekt der kosmischen Scherung durchgeführt wurde. Hierbei handelt es sich um eine Form des schwachen Gravitationslinseneffektes, bei dem Licht, das von fernen Galaxien emittiert wird, durch die Gravitationseffekte großer Mengen Materie wie z.B. Galaxienhaufen verzerrt wird.

Bei der kosmischen Scherung sind es nicht Galaxienhaufen, die das Licht verzerren, sondern großräumige Strukturen im Universum, was zu einem noch kleineren Effekt führt. Es sind sehr umfangreiche und tiefe Durchmusterungen wie KiDS erforderlich, um sicherzustellen, dass das sehr schwache Signal der kosmischen Scherung stark genug ist, um gemessen zu werden. Mit Hilfe dieses Effektes können Astronomen die Verteilung der Materie kartieren. Noch nie zuvor wurde eine so große Fläche des Himmels mit dieser Technik abgebildet.

Interessanterweise scheinen die Resultate ihrer Analyse nicht zu den Schlussfolgerungen zu passen, die sich aus den Ergebnissen des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation ESA ziehen lassen, der bedeutendsten Weltraummission für die Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften des Universums. Insbesondere liegen die Messungen des KiDS-Teams, wie dicht die Materie im Universum verteilt ist – einem der wichtigsten kosmologischen Parameter – deutlich unter dem Wert, der sich aus den Planck-Daten ableiten lässt [3].

Massimo Viola erklärt: „Das neueste Ergebnis zeigt, dass die dunkle Materie im kosmischen Netz, die etwa ein Viertel des Universums ausmacht, gleichmäßiger verteilt ist, als wir zuvor geglaubt haben.“

Dunkle Materie ist weiterhin nur schwer nachweisbar. Dass sie überhaupt existiert, lässt sich nur aus ihrer gravitativen Wirkung schließen. Derartige Untersuchungen sind gegenwärtig der beste Weg, um Form, Größe und Verteilung der unsichtbaren Materie zu bestimmen.

Das überraschende Forschungsergebnis hat auch Auswirkungen auf unser allgemeines Verständnis vom Universum und wie es sich in seiner fast 14 Milliarden Jahre währenden Geschichte entwickelt hat. Ein solch offenkundiger Widerspruch zu den neuesten Planck-Ergebnissen bedeutet, dass Astronomen nun möglichweise ihr Verständnis von einigen grundlegenden Aspekten der Entwicklung des Universums neu überdenken müssen.

Hendrik Hildebrandt meint dazu: „Unsere Ergebnisse werden entscheidend dazu beitragen, die theoretischen Modelle weiterzuentwickeln, wie sich das Universum von seinem Ursprung bis heute entwickelt hat.“

Die KiDS-Analyse der Daten des VST war ein wichtiger Schritt, aber die Wissenschaftler erhoffen sich von zukünftigen Teleskopen noch umfangreichere und tiefergehende Durchmusterungen des Himmels.

Catherine Heymans von der University of Edinburgh in Großbritannien, die Ko-Leiterin der Studie, fügt hinzu: „Die Enträtselung dessen, was seit dem Urknall passiert ist, ist wahrlich eine Herausforderung, aber durch die weitere Erforschung des fernen Weltraums können wir uns ein Bild davon machen, wie sich unser modernes Universum entwickelt hat.“

„Wir sehen im Moment einen interessanten Widerspruch zu der Kosmologie des Planck-Weltraumteleskops. Zukünftige Missionen wie das Euclid-Weltraumteleskop und das Large Synoptic Survey Telescope werden es uns ermöglichen, diese Messungen zu wiederholen und besser zu verstehen, was das Universum uns wirklich sagen möchte“, so Konrad Kuijken von der Sternwarte Leiden in den Niederlanden, der wissenschaftliche Direktor der KiDS-Durchmusterung.

Endnoten

[1] In dem internationalen KiDS-Forscherteam sind Wissenschaftler aus Deutschland, den Niederlanden, Großbritannien, Australien, Italien, Malta und Kanada vertreten.

[2] Das entspricht etwa 450 Quadratgrad oder etwas mehr als 1% des gesamten Himmels.

[3] Der gemessene Parameter wird als S8 bezeichnet. Sein Wert ist eine Verknüpfung zwischen der Größe der Dichtefluktuationen und der durchschnittlichen Dichte in einem Bereich des Universums. Große Schwankungen in Teilen des Universums mit niedriger Dichte haben einen ähnlichen Effekt wie kleinere Amplitudenschwankungen in dichteren Regionen, wobei durch Beobachtungen des schwachen Gravitationslinseneffektes nicht zwischen beiden unterschieden werden kann. Die 8 bezieht sich auf eine Zellgröße von 8 Megaparsec, die konventionell in solchen Untersuchungen verwendet wird.

Quelle: ESO