22. März 2001
Erste direkte Entdeckung von Dunkler Materie im galaktischen Halo
(UC Berkeley) Ein internationales Team von Astronomen hat entdeckt, was ein bedeutender Anteil der galaktischen Dunklen Materie sein könnte, welche sich den Astronomen fast 70 Jahre lang entzogen hat.
Beim Scannen von digitalisierten Bildern des Südhimmels fand das Team 38 vorher unbeobachtete kühle weiße Zwerge im Abstand von bis zu 450 Lichtjahren von der Erde. Falls die Dichte dieser neu entdeckten weißen Zwerge - anscheinend Mitglieder des galaktischen Halos, die durch die Scheibe der Milchstraße ziehen - typisch für das restliche galaktische Halo ist, dann würden diese toten Sterne mindestens drei Prozent der Dunklen Materie des Halos ausmachen, vielleicht auch bis zu 35 Prozent.
Die Entdeckung bietet zumindest eine teilweise Antwort auf die Frage, die Astronomen seit Jahren verfolgt: Woraus besteht die fehlende Materie, die Galaxien am Auseinanderfliegen hindert und das Universum an einer noch schnelleren Expansion?
"Wir haben eine bis jetzt unentdeckte Population von Sternen im galaktischen Halo gefunden, die einen Anteil an der baryonischen Dunklen Materie in der Galaxie bildet," sagt der führende Autor Ben. R. Oppenheimer, ein Hubble-Forschungsstipendiat in der Astronomie-Abteilung des 'College of Letters & Science' der Universität von Kalifornien in Berkeley. "Hieraus ergeben sich eine Menge Fragen zu unserem Verständnis der Geschichte der Sternentstehung in unserer Galaxie und der grundlegenden Prozesse der Sternentstehung."
Oppenheimer und seine Kollegen Nigel C. Hambly und Andrew P. Digby vom Institut für Astronomie der Universität Edinburgh in Schottland, Simon T. Hodgkin vom Institut für Astronomie der Universität Cambridge in England und der Theoretiker Didier Saumon von der Vanderbilt Universität in Nashville, Tennesee, werden ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 23. März der Zeitschrift Science veröffentlichen.
Seit der Beobachtung von Fritz Zwicky im Jahr 1933, dass Galaxienhaufen nicht genügend sichtbare Sterne zur Erklärung ihrer Rotation enthalten, rätseln Astronomen über die Dunkle Materie. Dasselbe gilt auch für einzelne Galaxien und heute schätzen Astronomen, dass etwa 95 Prozent der Masse von Galaxien wie unserer eigenen zu dunkel ist, um von Astronomen gesehen zu werden. Viel dieser unsichtbaren Masse sitzt in dem sphärischen Halo, das die Scheibe unserer Galaxie einhüllt.
Beobachtungen deuten darauf hin, dass bis zu 35 Prozent der galaktischen Dunklen Materie aus normaler, sogenannter baryonischer Materie besteht - dem Stoff von Sternen und Menschen, der aus Protonen, Neutronen und Elektronen zusammengesetzt ist. Vom Rest vermutet man, dass er aus Masse-Teilchen besteht, die schwach mit der restlichen Materie wechselwirken, ein wahrhafter Zoo möglicher Geschöpfe von schweren Neutrinos, sogenannten Neutralinos, bis zu Photinos oder Axionen. Diese werden unter der Rubrik 'schwach wechselwirkende, massive Teilchen' oder WIMPs (weekly interacting massive particles) zusammengefasst. Man nimmt an, dass die normale baryonische Materie überwiegend in der Form von massiven, kompakten Halo-Objekten (MACHOs) vorliegt.
Trotz intensiver Anstrengungen, MACHOs oder WIMPs zu finden, hat man keine von beiden direkt entdeckt. Im Jahr 1995 hat das MACHO-Projekt unter der Führung von Charlels Alcock, jetzt Professor für Physik und Astronomie an der Universität von Pennsylvania, MACHOs indirekt entdeckt, durch die Messung ihres Einflusses auf die Bilder ferner Sterne. Sie schlossen, dass diese MACHOs zwischen acht und 50 Prozent der Masse des Halos ausmachen. Sie fanden auch heraus, dass einzelne MACHOs Massen haben müssen, die jenen weißer Zwerge ähnlich sind.
"Diese indirekten Beobachtungen deuteten darauf hin, dass weiße Zwerge einen wesentlichen Anteil der Dunklen Materie ausmachen könnten, aber die Ergebnisse konnten und wurden durch einige Astronomen unterschiedlich interpretiert," sagt Oppenheimer. "Sie wussten, dass kompakte Objekte im Halo sind und sie konnten ihre Masse messen, aber sie sahen diese Objekte nie selbst."
Die neue Population weißer Zwerge im Halo "liefert eine natürliche Erklärung für die Mikrogravitationslinsen-Ergebnisse," schreibt das Team in seinem Artikel.
Oppenheimer und seine Kollegen fanden Dunkle Materie im Halo unserer eigenen Galaxie, indem sie nach extrem kühlen Weißen Zwergen suchten. Weiße Zwerge sind Objekte von Erd-Größe mit etwa der halben Masse der Sonne. Es handelt sich um den Kern von ehemaligen Roten Riesensternen, die große Teile ihrer Masse in den Raum schleuderten. Etwa 94 Prozent aller Sterne enden als Weiße Zwerge, bloße abkühlende Asche, weil ihnen der Brennstoff für weitere Kernfusionen fehlt. Erst kürzlich haben Theoretiker erkannt, dass die ältesten und kühlsten Weißen Zwerge tatsächlich blau sind.
Bis vor drei Jahren nahmen die meisten Leute an, dass Weiße Zwerge, wenn sie abkühlen und verblassen, röter und röter werden. Dann haben Brad M.S. Hansen von der Princeton Universität und Saumon von Vanderbilt unabhängig voneinander vorhergesagt, dass Weiße Zwerge blauer statt röter werden sollten, wenn sie unter 4 500 Kelvin abkühlen. Offensichtlich bilden sich bei diesen tiefen Temperaturen Wasserstoff-Moleküle und absorbieren, wenn sie in der 10 Meter dicken Atmosphäre eines Weißen Zwerges zusammengepresst werden, infrarote Strahlung von der Oberfläche und strahlen diese im blauen Licht wieder ab.
Oppenheimer und seine Kollegen bestätigten diese Vorhersage im letzten Jahr, als sie das Spektrum eines bläulichen Weißen Zwerges maßen, den Hambly und Hodgin 1997 im Halo unserer Milchstraße entdeckten. Eine Gruppe unter Rodrigo Ibata von der Universität Strasbourg hat kürzlich ebenfalls drei blaue kühle Weiße Zwerge im Halo gefunden.
Um festzustellen, wie viele es davon im Halo geben könnte, durchsuchte Hambly photographische Platten des Südhimmels aus den letzten 30 Jahren, die er vor kurzem im Rahmen des Platten-Scan-Projekts des Royal Observatory in Edingburgh digitalisiert hatte. Von Platten mit 196 Himmelsfeldern um den galaktischen Südpol - ein Gebiet von etwa 10 Prozent des Himmels - griff Hambly 92 Objekte heraus, die wie nahe, kühle Weiße Zwerge aussahen, da sie sich über die Jahre leicht bewegten. Oppenheimer, Hambly und Digby nahmen im letzten Oktober Spektren dieser Objekte mit einem 4-m Teleskop des Cerro Tololo Interamerikanischen Observatoriums in Chile auf.
Von den 69 Sternen, für die sie Spektren erhalten konnten, stellten sich 38 als Weiße Zwerge heraus, von denen 34 sehr kühl waren, viele zeigten den bläulichen Effekt.
Diese kleine Zahl kaum sichtbarer Sterne könnte jedoch die Spitze eines Eisbergs sein und eine umfangreiche Population von kühlen Weißen Zwergen repräsentieren, die zu schwach sind, um sichtbar zu sein und die bis zu 35 Prozent der Dunklen Materie im Halo umfassen könnten, sagt er. Diese Population Weißer Sterne wäre ein Relikt der frühesten Tage der Galaxie vor 10 bis 13 Milliarden Jahren.
"Bei dieser Forschung geht es nicht nur um Weiße Zwerge und Dunkle Materie. Sie hat auch Auswirkungen auf die Geschichte der Sternentstehung der Galaxie, vermutlich sogar für die Zeit, bevor sich die Scheibe selbst gebildet hat," sagt Saumon. Diese kühlen Weißen Zwerge sind die Fossile der frühen Population von Halo-Sternen. Aus dem Studium dieser Population Weißer Zwerge gibt es viel darüber zu lernen, wie sich Galaxien bilden und wie sich Sterne in diesem Prozess bilden. Dies verzweigt in viele Gebiete der Astrophysik. Da gibt es die Dunkle Materie, da gibt es die Geschichte der Galaxie. Das alles ist mit dieser Entdeckung verknüpft.
Die Theorien der Galaxien- und Sternentstehung werden erklären müssen, weshalb die Halo-Sterne zu einem überwältigenden Anteil aus Weißen Zwergen bestehen, während Sterne geringer Masse, die noch nicht genügend Zeit hatten, um sich in Weiße Zwerge zu entwickeln, anscheinend fehlen oder nur in abnorm geringer Anzahl vorhanden sind.
"Falls dies wahr ist und unsere Galaxie nicht ungewöhnlich ist, dann könnten wir diese Epoche der Galaxien-Entwicklung sehen, wenn wir entfernte und jüngere Galaxien beobachten," sagt Oppenheimer.
Oppenheimer und seine Kollegen hoffen, ähnliche kühle Weiße Zwerge um den galaktischen Nordpol beobachten zu können und die neu gefundenen Weißen Zwerge und ihren eigenartigen bläulichen Effekt näher studieren zu können, um ihre Atmosphären besser zu verstehen.
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siehe auch:
Übersetzung: © Susanne Weimer
Susanne Weimer