Dunkle Materie, die mysteriöse unsichtbare Komponente des Universums, wirft weiterhin viele wissenschaftliche Rätsel auf.

Obwohl sie den größten Teil der Materie in Galaxien ausmacht, könnte die Verteilung der dunklen Materie innerhalb von ihnen wichtige Informationen über ihre Natur und Rolle in der Evolution der Galaxien offenbaren.

Laut Computersimulationen sollte sich die dunkle Materie in den Zentren der Galaxien konzentrieren und so eine sogenannte Gipfeldichte erzeugen. Viele Teleskopbeobachtungsstudien legen jedoch nahe, dass die dunkle Materie gleichmäßiger verteilt ist. Dieser Widerspruch zwischen Modellen und Beobachtungen stellt eine große Herausforderung für Astronomen dar und erhöht das Geheimnis um die dunkle Materie.

Ein Astronomenteam, das das Hubble-Weltraumteleskop der NASA verwendet, versucht, dieses Dilemma zu klären, indem es die dynamischen Bewegungen von Sternen in der Zwerggalaxie Draco misst, die etwa 250.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Dank Beobachtungen über 18 Jahre hinweg gelang es ihnen, das genaueste dreidimensionale Modell der Sternbewegungen in dieser kleinen Galaxie zu erstellen. Dies erforderte eine detaillierte Untersuchung von fast zwei Jahrzehnten Hubble-Archivdaten über die Draco-Galaxie.

Modelle der Dunklen Materie
"Unsere Modelle tendieren mehr zu einer gipfelförmigen Struktur, was mit kosmologischen Modellen übereinstimmt," sagte Eduardo Vitral vom Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Hauptautor der Studie. "Obwohl wir nicht definitiv behaupten können, dass alle Galaxien dunkle Materie in einer Gipfelform enthalten, ist es aufregend, so präzise Daten zu haben, die alles übertreffen, was wir bisher hatten."

Bewegungen der Sterne
Um die dunkle Materie in der Galaxie zu untersuchen, analysieren Wissenschaftler die Bewegungen von Sternen, die durch die Schwerkraft der dunklen Materie beeinflusst werden. Eine gängige Methode zur Messung der Geschwindigkeit von Objekten im Weltraum ist der Doppler-Effekt – eine Änderung der Wellenlänge des Lichts eines Sterns, der sich auf die Erde zu oder von ihr weg bewegt. Obwohl diese Methode wertvolle Informationen liefert, ist sie auf eindimensionale Daten beschränkt.

Neben der Bewegung auf uns zu und von uns weg bewegen sich die Sterne auch über den Himmel, was als ihre Eigenbewegung gemessen wird. Durch die Kombination der Sichtbewegung mit der Eigenbewegung erstellte das Team eine beispiellose Analyse der dreidimensionalen Bewegung der Sterne.

"Der Fortschritt von Daten und Modellen geht normalerweise Hand in Hand," erklärte Roeland van der Marel vom STScI, Mitautor des Papiers, der diese Studie vor mehr als 10 Jahren begann. "Wenn Sie keine sehr anspruchsvollen Daten oder nur eindimensionale Daten haben, können einfache Modelle oft ausreichen. Je mehr Dimensionen und Komplexität der gesammelten Daten, desto komplexer müssen Ihre Modelle sein, um wirklich alle Feinheiten der Daten zu erfassen."

Langfristiges Engagement
Da Zwerggalaxien für ihren höheren Anteil an dunkler Materie im Vergleich zu anderen Galaxietypen bekannt sind, konzentrierte sich das Team auf die Zwerggalaxie Draco, die eine relativ kleine und spheroide Satellitengalaxie der Milchstraße ist.

"Bei der Messung von Eigenbewegungen zeichnen Sie die Position eines Sterns in einer Epoche auf und messen dann viele Jahre später die Position desselben Sterns. Sie messen die Verschiebung, um festzustellen, wie viel sich der Stern bewegt hat," erklärte Sangmo Tony Sohn vom STScI, Mitautor des Papiers und Hauptforscher des neuesten Beobachtungsprogramms. "Für solche Beobachtungen gilt: Je länger Sie warten, desto besser können Sie die Bewegung der Sterne messen."

Das Team analysierte eine Reihe von Epochen von 2004 bis 2022, eine umfassende Datenbank, die nur Hubble bereitstellen konnte, dank der Kombination seiner scharfen stabilen Sicht und langjährigen Arbeit. Die reichen Archivdaten des Teleskops halfen, das Maß an Unsicherheit bei der Messung der Eigenbewegungen der Sterne zu verringern. Die Präzision entspricht der Messung einer jährlichen Verschiebung, die etwas weniger als die Breite eines Golfballs beträgt, betrachtet vom Mond aus der Erde.

Mit dreidimensionalen Daten reduzierte das Team die Anzahl der in früheren Studien verwendeten Annahmen und berücksichtigte die für die Galaxie spezifischen Eigenschaften – wie ihre Rotation, Verteilung der Sterne und dunkle Materie – in ihren Modellen.

Spannende Zukunft
Die entwickelten Methoden und Modelle für die Zwerggalaxie Draco können in Zukunft auf andere Galaxien angewendet werden. Das Team analysiert bereits Hubble-Beobachtungen der Zwerggalaxie Sculptor und der Zwerggalaxie Ursa Minor.

Das Studium der dunklen Materie erfordert die Beobachtung unterschiedlicher galaktischer Umgebungen und die Zusammenarbeit verschiedener Weltraumteleskopmissionen. Zum Beispiel wird das kommende Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA helfen, neue Details über die Eigenschaften der dunklen Materie zwischen verschiedenen Galaxien zu enthüllen, dank seiner Fähigkeit, große Teile des Himmels zu untersuchen.

"Diese Art von Forschung ist eine langfristige Investition und erfordert viel Geduld," sagte Vitral. "Wir können solche Wissenschaft betreiben, dank einer jahrelangen Planung, um tatsächlich diese Daten zu sammeln. Die Erkenntnisse, die wir gewonnen haben, sind das Ergebnis der Arbeit vieler Forscher, die jahrelang an diesen Dingen gearbeitet haben."

Diese Ergebnisse wurden zur Veröffentlichung im The Astrophysical Journal angenommen.

Das Hubble-Weltraumteleskop ist seit mehr als drei Jahrzehnten in Betrieb und liefert weiterhin revolutionäre Entdeckungen, die unser grundlegendes Verständnis des Universums prägen. Hubble ist ein Projekt internationaler Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA (Europäische Weltraumorganisation). Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet das Teleskop und die Missionsoperationen. Lockheed Martin Space in Denver, Colorado, unterstützt ebenfalls die Missionsoperationen in Goddard. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, das von der Association of Universities for Research in Astronomy betrieben wird, führt Hubbles wissenschaftliche Operationen für die NASA durch.

Quelle: National Aeronautics and Space Administration