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Wissenschaftler kartierten dunkle Materie um Galaxien im frühen Universum

Wissenschaftler haben die dunkle Materie um einige der bisher frühesten und am weitesten entfernten Galaxien kartiert.

Die 1,5 Millionen Galaxien erscheinen so, wie sie vor 12 Milliarden Jahren oder weniger als 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall aussahen. Diese Galaxien verzerren den kosmischen Mikrowellenhintergrund – Licht, das in einer noch früheren Ära des Universums ausgestrahlt wurde – von der Erde aus gesehen. Diese als Gravitationslinseneffekt bezeichnete Verzerrung offenbart die Verteilung dunkler Materie um diese Galaxien herum, berichten Wissenschaftler am 5. August Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Zu verstehen, wie sich Dunkle Materie früh in der Geschichte des Universums um Galaxien ansammelt, könnte Wissenschaftlern mehr über die mysteriöse Substanz verraten. Und in Zukunft könnte diese Linsentechnik Wissenschaftlern auch dabei helfen, ein Geheimnis darüber zu lüften, wie Materie im Universum zusammenklumpt.

Dunkle Materie ist eine unbekannte, massive Substanz, die Galaxien umgibt. Wissenschaftler haben dunkle Materie nie direkt entdeckt, aber sie können ihre Gravitationswirkung auf den Kosmos beobachten (SN: 22.07.22). Einer dieser Effekte ist der Gravitationslinseneffekt: Wenn Licht an einer Galaxie vorbeizieht, beugt ihre Masse das Licht wie eine Linse. Wie stark sich das Licht krümmt, verrät die Masse der Galaxie, einschließlich ihrer dunklen Materie.

Es ist schwierig, dunkle Materie um so weit entfernte Galaxien herum zu kartieren, sagt der Kosmologe Hironao Miyatake von der Universität Nagoya in Japan. Das liegt daran, dass Wissenschaftler eine Lichtquelle benötigen, die weiter entfernt ist als die Galaxie, die als Linse fungiert. Typischerweise verwenden Wissenschaftler noch weiter entfernte Galaxien als Quelle dieses Lichts. Aber wenn man so tief in den Weltraum blickt, sind diese Galaxien schwer zu finden.

Stattdessen wandten sich Miyatake und Kollegen dem kosmischen Mikrowellenhintergrund zu, dem ältesten Licht im Universum. Das Team verwendete Linsenmessungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds vom Planck-Satelliten, kombiniert mit einer Vielzahl entfernter Galaxien, die vom Subaru-Teleskop auf Hawaii beobachtet wurden (SN: 24.07.18). „Der Gravitationslinseneffekt ist sehr klein, also brauchen wir viele Linsengalaxien“, sagt Miyatake. Die Verteilung der Dunklen Materie um die Galaxien entsprach den Erwartungen, berichten die Forscher.

Die Forscher schätzten auch eine Größe namens Sigma-8, ein Maß dafür, wie „klumpig“ Materie im Kosmos ist. Seit Jahren finden Wissenschaftler Hinweise darauf, dass verschiedene Messungen von Sigma-8 nicht miteinander übereinstimmen (SN: 10.08.20). Das könnte ein Hinweis darauf sein, dass etwas mit den Theorien der Wissenschaftler über das Universum nicht stimmt. Aber die Beweise sind nicht schlüssig.

„Eines der derzeit interessantesten Dinge in der Kosmologie ist, ob diese Spannung real ist oder nicht“, sagt die Kosmologin Risa Wechsler von der Stanford University, die nicht an der Studie beteiligt war. „Dies ist ein wirklich schönes Beispiel für eine der Techniken, die dazu beitragen werden, Licht ins Dunkel zu bringen.“

Die Messung von Sigma-8 anhand früher, entfernter Galaxien könnte dabei helfen, aufzudecken, was vor sich geht. „Diese Größe, dieses Sigma-8, will man aus möglichst vielen Perspektiven messen“, sagt der Kosmologe Hendrik Hildebrandt von der Ruhr-Universität Bochum in Deutschland, der nicht an der Studie beteiligt war.

Wenn Schätzungen aus verschiedenen Epochen des Universums nicht übereinstimmen, könnte das den Physikern helfen, eine neue Theorie zu entwickeln, die den Kosmos besser erklären könnte. Während die neue Messung von Sigma-8 nicht präzise genug ist, um die Debatte beizulegen, könnten zukünftige Projekte, wie das Rubin-Observatorium in Chile, die Schätzung verbessern (SN: 1.10.20).

H. Miyatake et al. Erste Identifizierung eines CMB-Lensing-Signals, das von 1,5 Millionen Galaxien bei z∼4 erzeugt wird: Beschränkungen für Schwankungen der Materiedichte bei hoher Rotverschiebung. Briefe zur körperlichen Überprüfung. Vol. 129, 5. August 2022, p. 061301. doi: 10.1103/PhysRevLett.129.061301.

Autoren: Emily Conover von Sciencenews

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