Die Entdeckung einer riesigen Galaxie, in der es offenbar keine Dunkle Materie gibt, könnte die gängige Sichtweise der kosmischen Evolution in Frage stellen. Dunkle Materie, die etwa 85 Prozent der Materie im Universum ausmacht, fehlt in NGC 1277, einer Galaxie im Perseus-Galaxienhaufen. Die Galaxie, 240 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, ist der erste Galaxienhaufen aus Sternen, Planeten, Staub und Gas von der Größe der Milchstraße, in dem keine Dunkle Materie gefunden wurde.
Dunkle Materie ist praktisch unsichtbar, da sie im Gegensatz zur normalen Materie, aus der Sterne, Planeten und wir Menschen bestehen, nicht mit Licht interagiert. Ihre Anwesenheit lässt sich jedoch aus ihren Gravitationswechselwirkungen ableiten. Die Existenz dieser schattenhaften Substanz wurde erstmals vermutet, als Astronomen massereiche Galaxien beobachteten, die sich so schnell drehten, dass sie auseinanderfliegen würden, wenn sie nicht durch die Gravitationskraft einer unsichtbaren Masse zusammengehalten würden. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden 2023 in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht.
Diese Tatsache führte Wissenschaftler zu der Hypothese, dass alle großen Galaxien von einer Hülle aus dunkler Materie umgeben sind. Diese Annahme ist zu einer wichtigen Annahme bei der Entwicklung von Theorien zur Galaxienentwicklung geworden. Die Entdeckung einer Galaxie, die offenbar keine dunkle Materie besitzt, stellt diese Annahme jedoch in Frage.
Ein verkleinertes Bild der Galaxie NGC 1277, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop, die nahe dem Zentrum des Perseus-Haufens mit mehr als 1.000 Galaxien liegt, 240 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Instituto de Astrofísica de Canarias/P. Kehusma/NASA/ESA
NGC 1277 gilt als kosmisches Relikt und ist unter den Galaxien einzigartig, da sie kaum mit anderen Galaxien in ihrer Umgebung interagiert. Man geht davon aus, dass solche Galaxien die Überreste von Riesengalaxien sind, die im frühen Universum existierten. Daher spielen diese Reliktgalaxien eine wichtige Rolle für das Verständnis der Astronomen zur Entstehung der ersten Galaxien.
Um diese Forschung voranzutreiben, beobachteten Cameron und seine Kollegen die Reliktgalaxie NGC 1277 mit einem sogenannten Integralfeldspektrographen. Dadurch konnten sie die Bewegung der Galaxie kartieren, ihre Masse bestimmen und ihre Verteilung bestimmen.
Dabei zeigte sich, dass die Verteilung der Gesamtmasse von NGC 1277, die auch Dunkle Materie enthalten muss, mit der Massenverteilung der normalen Materie, also Sternen, Staub, Gas und Planeten, übereinstimmt. Das bedeutet, dass der Anteil Dunkler Materie innerhalb des Radius der Galaxie 5 % nicht überschreiten kann. Die Ergebnisse stimmen jedoch eher mit der Annahme überein, dass in NGC 1277 überhaupt keine Dunkle Materie vorhanden ist.
Dies ist überraschend, da die derzeit akzeptierten Modelle der kosmischen Evolution, einschließlich des Standardmodells der Kosmologie, darauf schließen lassen, dass NGC 1277 zu 10–70 % aus dunkler Materie bestehen sollte.
Die Abbildung zeigt eine typische Galaxie, die von einem Halo aus dunkler Materie umhüllt ist, sowie NGC 1277, in der diese mysteriöse Materieform fehlt. ESO 325-G004: NASA, ESA
Die Wissenschaftler hinter der Entdeckung haben mehrere Vermutungen, warum NGC 1277 so wenig Dunkle Materie enthält. Eine Hypothese besagt, dass Gravitationswechselwirkungen mit der Umgebung des Galaxienhaufens, der die Galaxie enthält, zur Ausstoßung Dunkler Materie führten. Eine zweite Hypothese besagt, dass Dunkle Materie aus dem System ausgestoßen wurde, als die Galaxie durch die Verschmelzung protogalaktischer Fragmente entstand, wodurch die Reliktgalaxie entstand.
Das Team ist mit keiner der Erklärungen vollständig zufrieden und wird daher NGC 1277 mit dem William-Herschel-Teleskop (WHT) am Observatorium Roque de los Muchachos auf der Kanarischen Insel La Palma weiter untersuchen.
Sollten künftige Studien bestätigen, dass in der Reliktgalaxie die mysteriöseste Form von Materie im Universum fehlt, dürfte dies nach Ansicht der Wissenschaftler keine Zweifel an der Existenz dunkler Materie aufkommen lassen. Vielmehr dürften dadurch alternative Modelle der dunklen Materie, sogenannte modifizierte Gravitationstheorien, infrage gestellt werden, so das Team.
Dunkle Materie kann in einer bestimmten Galaxie verschwinden. Das modifizierte Gravitationsgesetz muss universell sein; es kann keine Ausnahmen geben. Daher ist eine Galaxie ohne dunkle Materie eine Widerlegung dieser Art von Alternative zur dunklen Materie.
Neue Hinweise zur Entwicklung der Dunklen Energie sind Teil einer der detailliertesten Karten des Kosmos, die jemals erstellt wurden. Sie basieren auf Daten, die im ersten Jahr des Dark Energy Spectroscopic Survey Instrument (DESI) gesammelt wurden. Die 5.000 Roboteraugen des Instruments erfassen Licht von Millionen von Galaxien, die mehr als ein Drittel des gesamten von der Erde aus sichtbaren Himmels abdecken. Dieses Licht wird dann in ein Farbspektrum zerlegt, wodurch Wissenschaftler die Ausdehnung des Universums über Milliarden von Jahren anhand der Veränderung der Lichtwellenlänge, der sogenannten Rotverschiebung, messen können.
Das aktuelle „Standardmodell“ des Kosmos, seiner Geschichte und Entwicklung wird als Lambda-Kalt-Dunkle-Materie-Modell (LCDM) bezeichnet. Die Vorherrschaft dieses Modells, in dem Lambda die kosmologische Konstante und die dunkle Energie darstellt, könnte jedoch nun ernsthaft bedroht sein.
Denn neue Beobachtungen des Kosmos deuten darauf hin, dass die Dunkle Energie, die Kraft, die unser Universum immer schneller expandieren lässt, schwächer zu werden scheint. Das mag an sich nicht viel erscheinen, doch die Entdeckung könnte möglicherweise zum ersten großen Paradigmenwechsel in der Kosmologie seit der Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums vor etwas mehr als 25 Jahren führen. Sie könnte sogar darauf hindeuten, dass unser Universum nicht mit einem „Big Rip“ oder „Big Cool“, sondern mit einem „Big Crunch“ enden wird.
Das LCDM-Modell geht davon aus, dass das Universum unmittelbar nach dem Urknall extrem dicht und unglaublich heiß war, gleichzeitig aber bemerkenswert glatt und in alle Richtungen mehr oder weniger gleichförmig bzw. einheitlich.
Mit der Ausdehnung des Universums begannen sich kleine Dichteschwankungen zu bilden, und diese dichten Regionen wuchsen. Im Laufe der Entwicklung des Universums begannen sich Klumpen dunkler Materie zu verdichten, und die neu gebildeten Atome sammelten sich und stimulierten die Bewegung der Gasmoleküle innerhalb dieser Klumpen. Infolgedessen war das Universum schließlich fast vollständig mit Wasserstoff und Helium (den beiden leichtesten und einfachsten chemischen Elementen) sowie dunkler Materie gefüllt.
Durch die Verbindung von Elektronen und Protonen zur Bildung der ersten Atome konnte sich das Licht plötzlich frei bewegen. Dieses erste Licht wird heute als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) beobachtet, eine „fossile“ Strahlung, die uns viel über die Geschichte des Universums verraten kann.
Die Regionen mit höherer Dichte zogen Gas und dunkle Materie an und bildeten die Keimzellen der ersten Galaxien im LCDM-Modell, die zu Protogalaxien kollabierten. In diesen frühen Galaxien bildeten Wasserstoff und Helium die ersten Sterne. Schließlich verschmolzen die Protogalaxien und die sie umgebenden Halos zu immer größeren Galaxien.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass in diesem Modell die dunkle Energie durch Lambda dargestellt wird. Es wird angenommen, dass Lambda über die Zeit konstant ist.
DESI stellte fest, dass die Zustandsgleichung des Universums nicht mit dem herkömmlichen LCDM-Modell übereinstimmt, sondern vielmehr darauf hindeutet, dass sich die Dunkle Energie im Laufe der Zeit verändert. Diese Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für Modelle variabler Dunkler Energie, da sie eine Abweichung von einer konstanten Zustandsgleichung demonstrieren.
Wenn sich diese neuen DESI-Ergebnisse als richtig erweisen (und derzeit scheinen sie bemerkenswert zuverlässig zu sein), dann ist die kosmologische Konstante möglicherweise kein geeigneter Stellvertreter für die mysteriöse Kraft der dunklen Energie mehr.
Im Jahr 1915 legte Albert Einstein seine vielleicht revolutionärste Theorie vor, die Allgemeine Relativitätstheorie. Darin beschrieb er die Schwerkraft als ein Konzept, das aus der Krümmung von Raum und Zeit entsteht – einer Krümmung, die durch Körper mit Masse verursacht wird.
Zwei Jahre später, 1917, zeigten Einstein und der niederländische Astronom Willem de Sitter, dass sich das Universum mit den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben ließ, wenn auch vereinfacht. Doch es gab ein Problem: Das durch die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschriebene Universum beschrieb kein ruhendes Universum. Die gängige Physikermeinung jener Zeit war, dass das Universum statisch sei und sich weder ausdehnte noch zusammenzog, und Einstein stimmte dem zu. Also fügte er seinen Gleichungen eine Art „Faktor“ hinzu: die kosmologische Konstante, kurz Lambda.
Dadurch wurde das Universum ins Gleichgewicht gebracht und die richtige Menge an Zug und Druck hinzugefügt, um es statisch zu halten.
Etwa zwölf Jahre später, im Jahr 1929, untersuchte Edwin Hubble entfernte Galaxien und entdeckte dabei, dass deren Licht gestreckt oder „rotverschoben“ war. Er bemerkte, dass dieser Effekt umso stärker war, je weiter die Galaxie entfernt war. Dies deutete darauf hin, dass das Universum nicht statisch war, sondern sich tatsächlich ausdehnte. Wissenschaftler verbrachten die folgenden sieben Jahrzehnte damit, die Geschwindigkeit dieser Expansion zu messen – ein Wert, der als „Hubble-Konstante“ bezeichnet wurde.
Eine Langzeitbelichtung zeigt Sternspuren über der Erde. Würde die Expansionsgeschwindigkeit des Universums über Jahrhunderte hinweg konstant bleiben, wären solche Bilder unmöglich. Maxim Senin
Da Einstein kein statisches Universum mehr beschreiben musste, ließ er die kosmologische Konstante aus seinen Gleichungen des Universums weg und bezeichnete die Einführung von Lambda angeblich als seinen „größten Fehler“. Die kosmologische Konstante blieb jedoch nicht lange auf dem kosmischen Schrotthaufen. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts erlebte Lambda ein großes Comeback – und zwar in einer neuen Rolle.
Im Jahr 1998 entdeckten zwei unabhängige Astronomenteams, die weit entfernte Supernovas vom Typ 1a beobachteten und diese zur Messung kosmischer Entfernungen nutzten, dass sich die Expansion des Universums nicht verlangsamt, wie man vielleicht erwarten würde. Sie beschleunigt sich sogar. Die Dunkle Energie wurde daraufhin als Stellvertreter für die scheinbare Ursache dieser beschleunigten Expansion herangezogen.
In vielen Modellen des Kosmos, einschließlich des populären LCDM-Modells, wird die dunkle Energie durch eine gerettete kosmologische Konstante oder Lambda dargestellt, die nun der Schwerkraft entgegenwirkt und das Gefüge von Raum und Zeit mit immer größerer Geschwindigkeit auseinanderdrückt.
Nach der Einführung der kosmologischen Konstante als Größe zur Charakterisierung der beschleunigten Expansion des Weltraums blieb dies jedoch ein Problem. Die durch die Beobachtung entfernter Supernovae erhaltenen Werte und der von Theorien der Quantenphysik vorhergesagte Wert weichen weiterhin stark voneinander ab und weichen um bis zu 10 hoch 121 (eine Eins mit 121 Nullen) voneinander ab.
Eine Illustration der Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) aus dem ersten Jahr. Sie zeigt einen Ausschnitt der größeren dreidimensionalen Karte, die DESI im Laufe seiner fünfjährigen Studie erstellt. DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P.Horálek/R.Proctor
Es gibt ein Szenario: Wenn die Dunkle Energie eine unveränderliche kosmologische Konstante ist, werden sich alle Galaxien über Milliarden von Jahren so weit voneinander entfernen, dass der Nachthimmel über der Erde leer wird. Dies könnte dazu führen, dass das Universum zu einem kalten Kosmos aus weit verstreuten toten Galaxien wird (das sogenannte „Big Chill“-Szenario). Alternativ könnte die fortgesetzte beschleunigte Expansion dazu führen, dass das Raumzeitgefüge selbst auseinanderreißt (das sogenannte „Big Rip“-Szenario).
Siehe auch... Neue Methode zur Beobachtung einzelner Atome bestätigt jahrhundertealte quantenmechanische Theorie |
Die neue DESI-Karte könnte jedoch auf ein anderes kosmisches Schicksal hinweisen: Das Universum kollabiert erneut und erreicht den heißen, dichten Zustand, der unmittelbar nach dem Urknall beobachtet wurde. Sollten die Ergebnisse des ersten DESI-Jahres stimmen, wird die beschleunigte Expansion des Universums stoppen und sich schließlich umkehren. Das Universum könnte dann unter dem Einfluss der Schwerkraft beginnen, sich zusammenzuziehen. Dies könnte schließlich zu einem „Big Crunch“-Szenario führen, in dem das Universum kollabiert.
Im zweiten und dritten Betriebsjahr von DESI werden Wissenschaftler die mit der Rotverschiebung verbundenen Raumverzerrungen untersuchen.
Hinweise auf die Entwicklung der Dunklen Energie, die etwa 70 % der Masse und Energie des Universums ausmacht, lieferte erstmals im Jahr 2024 das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Die Entdeckung war schockierend, denn die beste Beschreibung des Kosmos, die wir kennen – das Standardmodell der Kosmologie, die sogenannte Lambda-Kalte-Dunkle-Materie (LCDM), sagt voraus, dass die Dunkle Energie im Laufe der Zeit konstant bleiben sollte.
Neue Ergebnisse aus dem Jahr 2025, die vom Supernova Cosmology Project bereitgestellt wurden und 2.087 detonierende Vampirsterne, auch standardisierte Supernovae vom Typ 1a genannt, umfassen, liefern einen weiteren Beweis dafür, dass die dunkle Energie nicht konstant ist und dass das LCDM möglicherweise überarbeitet werden muss.
Wenn die dunkle Energie schwächer wird, hat dies Auswirkungen auf unser Verständnis vom Ende des Kosmos.
Supernova 1994D in der Nähe der Galaxie NGC 4526. NASA, ESA, das Hubble Key Project Team und das High-Z Supernova Search Team
Supernovae vom Typ 1a sind Sternüberreste, sogenannte Weiße Zwerge, die beim Tod sonnengroßer Sterne zurückbleiben. In engen Doppelsternsystemen mit anderen Sternen können diese Sternenleichen wie ein kosmischer Vampir Materie stehlen.
Dieses Material sammelt sich auf dem Weißen Zwerg, bis die Masse des toten Sterns die sogenannte Chandrasekhar-Grenze überschreitet, die bei etwa 1,4 Sonnenmassen liegt. Wird diese Grenze überschritten, kann der Weiße Zwerg zur Supernova werden.
Die resultierende Explosion erzeugt Supernovae vom Typ 1a, die für Astronomen ein nützliches Messinstrument darstellen, da ihre Lichtleistung von Ereignis zu Ereignis konstant bleibt. Durch den Vergleich von Supernovae vom Typ 1a in unterschiedlichen Entfernungen und die Beobachtung der Rotverschiebung ihres Lichts durch die Expansion des Universums lässt sich ein Wert für die Expansionsrate des Universums (die Hubble-Konstante) ermitteln. Dieser Wert hilft, den Einfluss der Dunklen Energie auf den Kosmos zu verschiedenen Zeiten zu verstehen.
Die Geschichte ist deshalb bedeutsam, weil die Untersuchung von 50 Supernovae vom Typ 1a im Jahr 1998 bei Astronomen erstmals den Verdacht auf die Existenz dunkler Energie aufkommen ließ.
Supernova Typ 1a SN 2011fe, entdeckt in der Feuerradgalaxie. BJ Fulton/Palomar Transient Factory
Seitdem haben Astronomen mit verschiedenen Teleskopen weitere 2.000 Supernovae vom Typ 1a beobachtet. Das neue Union3-Projekt beseitigt alle Unterschiede zwischen Beobachtungen, die durch verschiedene astronomische Instrumente verursacht werden, wie beispielsweise die zeitliche Drift von Teleskopfiltern, und stellt den größten standardisierten Datensatz von Supernovae vom Typ 1a aller Zeiten zusammen.
Union3 enthält Daten zu 2.087 Supernovae aus 24 verschiedenen Datensätzen, die 7 Milliarden Jahre kosmischer Zeit abdecken. Es basiert auf den 557 Supernovae, die im ursprünglichen Union2-Datensatz katalogisiert sind.
Die Analyse von Union3 scheint die Erkenntnisse von DESI zu bestätigen, dass die dunkle Energie mit der Zeit schwächer wird, die Ergebnisse sind jedoch noch nicht schlüssig.
Der Datensatz des Teams zu Supernovas vom Typ 1a wird im Jahr 2026 um drei weitere Datensätze erweitert. Zwei davon werden Daten zu Supernovas mit hoher Rotverschiebung enthalten, die in großer Entfernung beobachtet wurden, und einer wird Daten zu lokaleren Supernovas mit niedriger Rotverschiebung enthalten. Dies soll dazu beitragen, die neuen Ergebnisse besser zu kalibrieren, so die Forscher.
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
