Gibt es Hinweise auf dunkle Materie in unserer Galaxie?

Ein Stern in der Scheibe unserer Milchstraße umkreist das galaktische Zentrum, ähnlich wie Planeten im Sonnensystem die Sonne umkreisen, aufgrund der Anziehungskraft aller Sterne und anderer Materie in der Galaxie, die näher am galaktischen Zentrum sind als der betreffende Stern. Für unsere Galaxie beträgt die Umlaufgeschwindigkeit für die Sonne und andere Sterne in der gleichen Entfernung vom galaktischen Zentrum wie unsere Sonne etwa 220 km/s, was zu einer Umlaufzeit von etwa 200 Millionen Jahren führt.

Für unser Sonnensystem befinden sich 99,9 % der Masse in der Sonne, sodass die Geschwindigkeit der Planeten, die es umkreisen, mit der inversen Quadratwurzel des Abstands von der Sonne abfällt (ein Ergebnis, das sich leicht aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz ableiten lässt, wobei die Gravitation Kraft fällt als umgekehrtes Quadrat der Entfernung ab). Die Umlaufgeschwindigkeit der Erde beträgt 30 km/s, und der 5,2-mal weiter entfernte Jupiter hat eine Umlaufgeschwindigkeit von 13 km/s. Die Umlaufgeschwindigkeit hängt auch von der Quadratwurzel der Masse im Zentrum ab. Wenn unsere Sonne also viermal so massereich würde, würde sich die Umlaufgeschwindigkeit der Erde verdoppeln.

Für ein ausgedehntes Objekt wie unsere Galaxie kann aus dem Newtonschen Gesetz abgeleitet werden, dass die Gravitationskraft der gesamten Galaxie, die auf einen Stern wirkt, genau gleich der ist, die von der ganzen Materie zu erwarten wäre, die näher am galaktischen Zentrum liegt als der Stern . Alle Kräfte von Sternen und Materie, die weiter vom Zentrum entfernt sind, heben sich auf.

Wenn die gesamte Masse unserer Galaxie im Zentrum wäre, dann würde die Umlaufgeschwindigkeit als umgekehrte Quadratwurzel der Entfernung vom Zentrum abfallen, genau wie beim Sonnensystem. Aber da die Masse der Galaxie ausgedehnt ist, wird die Umlaufgeschwindigkeit langsamer abfallen. Wenn die Masse, die sich in einem bestimmten Abstand vom Zentrum befindet, mit dem Quadrat dieses Abstands ansteigt (wie es bei einer flachen Scheibe mit konstanter Dicke und Dichte der Fall wäre), ist die Umlaufgeschwindigkeit mehr oder weniger konstant, während wir uns bewegen immer weiter raus. Dasselbe gilt für einen sphärischen Halo, bei dem die Dichte mit der 2/3-Potenz des Abstands vom Mittelpunkt abfällt.

In den 1970er Jahren fanden Astronomen, die Umlaufgeschwindigkeiten um die Zentren anderer Galaxien untersuchten, heraus, dass die Umlaufgeschwindigkeit entgegen allen Erwartungen tatsächlich ungefähr konstant ist. Etwa zur gleichen Zeit stellten andere Astronomen, die Radialgeschwindigkeiten entfernter Sterne in unserer Galaxie untersuchten, fest, dass dies auch für unsere Galaxie gilt. Und Studien des 21 cm großen interstellaren Wasserstoffs haben gezeigt, dass diese konstante Geschwindigkeit weit außerhalb der Zentren von Galaxien anhält, weit über die am weitesten entfernten Sterne hinaus, die man sehen kann.

Aber es ist seit langem bekannt, dass die Verteilung der Sterne in allen normalen Galaxien, ob spiralförmig oder elliptisch, stark zum Zentrum hin konzentriert ist, und daher wurde erwartet, dass die Umlaufgeschwindigkeit kontinuierlich abnehmen würde, wenn wir uns vom Zentrum entfernen. Die einzige Erklärung für die Anomalie war, dass es eine andere Materiequelle gab als das, was wir in Sternen und interstellarer Materie sehen können, die dafür verantwortlich war. Dies ist als „dunkle Materie“ bekannt geworden.

Tatsächlich wurden die Folgen der Dunklen Materie bereits in den 1950er Jahren gesehen, als festgestellt wurde, dass die Geschwindigkeiten von Galaxien, die in entfernten Galaxienhaufen umherschwirrten, viel höher waren, als man aufgrund der Gesamtmasse aller Sterne erwarten würde. Aber diese waren so weit entfernt, dass wir nicht sicher sein konnten, dass nicht irgendeine schwache Materiekomponente dafür verantwortlich war. Wenn wir es auch in unserer eigenen Galaxie haben, zeigt sich, dass die Materie, die die Übergeschwindigkeit verursacht, tatsächlich dunkel ist.

Es ist schwierig, den Prozentsatz der Dunklen Materie in unserer Galaxie zu messen, da wir in ihrem Inneren nicht bestimmen können, wie weit die entferntesten Wolken aus neutralem Wasserstoff vom galaktischen Zentrum entfernt sind. Es ist einfacher, die Entfernungen zu den Rändern anderer Galaxien und Galaxienhaufen zu messen. Die besten Schätzungen gehen davon aus, dass etwa 80 % der Masse in unserer Galaxie Dunkle Materie ist.

Piero Madau, Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of California, Santa Cruz, sagt: „In früheren Simulationen war diese Region glatt, aber jetzt haben wir genug Details, um Klumpen dunkler Materie zu sehen.“

Die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen, herauszufinden, was dunkle Materie ist. Bisher wurde es nur durch seine Gravitationswirkung auf Sterne und Galaxien nachgewiesen. Einer Theorie zufolge besteht dunkle Materie jedoch aus schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs), die sich gegenseitig vernichten und beim Zusammenstoß Gammastrahlen aussenden können. Gammastrahlen, die aus der Vernichtung dunkler Materie resultieren, konnten mit dem kürzlich gestarteten Gammastrahlen-Weltraumteleskop GLAST nachgewiesen werden, an dessen Bau die UW-Physiker mitgewirkt haben.

Der Halo aus dunkler Materie, der das umgibt, was wir Sterne und Gas der Milchstraße nennen, kann betrachtet und spiralförmig wie ein riesiger Wasserball gruppiert und ziemlich deformiert werden, sagen US-Astronomen, die als erste glauben, dass sie es geschafft haben, ihn zu messen Form. Dunkle Materie heißt so, weil sie unsichtbar ist, weil niemand weiß, was entsteht. Es ist jedoch nicht nachweisbar, weil es wie gewöhnliche Materie den Gesetzen der Schwerkraft und der Anziehungskraft kleiner Zwerggalaxien gehorcht, die die Milchstraße umkreisen.