Astronomen finden unsichtbares Gerüst des Universums

Von Markus Brauer

Die Dunkle Materie gehört zu den größten Rätseln der modernen Physik. Sie ist nicht sichtbar und wurde noch nie direkt beobachtet. Allerdings wissen die Forscher, dass sie da ist. Denn sie macht sich über ihre Schwerkraft bemerkbar.

Ohne die zusätzliche Schwerkraft der Dunklen Materie würden beispielsweise viele Galaxien durch die Fliehkraft auseinander gerissen werden, da sie sich viel zu schnell drehen.

Dunkle Materie und Energie – verborgene Kräfte im Universum

Einen extrem großen Anteil am Universum haben zwei Phänomene, über die man bislang so gut wie nichts weiß: Dunkle Materie und Dunkle Energie. Alle Sterne in unserer Galaxie, der Milchstraße, zusammengenommen machen nur nur etwa 15 Prozent der (sichtbaren) Masse aus. Der Rest – rund 85 Prozent – ist Dunkle Materie.

Die Dunkle Materie hat die Entwicklung und Struktur unseres Universums entscheidend geprägt. Nach dem Urknall bestimmte ihre Verteilung, wo im Kosmos die ersten Sterne und Galaxien entstanden.

 Der Schwerkrafteinfluss dieser unsichtbaren Materieform schuf das Grundgerüst für alle großräumigen Strukturen im Universum – von riesigen Galaxienhaufen und Filamenten des kosmischen Netzwerks bis zur Form und Bewegung der kleinsten Galaxien.

Wo steckt die Dunkle Materie?

Doch wo sich Dunkle Materie verbirgt, lässt sich nur indirekt ermitteln. Im nahen Umfeld analysieren Astronomen dafür die Bewegung von Sternen oder Galaxien.

Für umfassendere Kartierungen nutzen sie winzige Verzerrungen im Licht ferner Galaxien, die durch den Schwerkrafteinfluss von Dunkler Materie zwischen dem Teleskop und den Galaxien entstehen. Über diesen schwachen Gravitationslinseneffekt können sie Rückschlüsse auf die Masse und Verteilung der Dunklen Materie ziehen.

„Allerdings waren die bisherigen Kartierungen auf Basis des schwachen Gravitationslinseneffekts durch ihre Auflösung oder Sensitivität begrenzt, so dass die feineren Dunkle-Materie-Strukturen, die dem kosmischen Netzwerk zugrunde liegen, unsichtbar bleiben“, erklären Diana Scognamiglio vom Jet Propulsion Laboratory der NASA und ihre Kollegen im Fachjournal „Nature Astronomy“.

800.000 Galaxien im Visier

Für die neue Kartierung richteten die Astronomen die Nahinfrarot-Kamera (NIRCam) des James-Webb-Weltraumtelekops 255 Stunden lang auf das sogenannte COSMOS-Feld, einen rund 2,5 Vollmonde großen Ausschnitt am Himmelsäquator.

„Jahrzehnte der Beobachtungen durch nahezu alle großen Teleskope auf der Erde und im Weltraum haben uns eine umfassende Sicht dieses Felds in allen Wellenlängen geliefert“, schreiben die Forscher. Das ermöglicht einen guten Vergleich zwischen der Verteilung normaler Materie und Dunkler Materie.

Die neuen Aufnahmen des Webb-Teleskops erfassten rund 800.000 Galaxien im COSMOS-Feld, darunter viele zuvor unbekannte. Am Licht dieser Galaxien konnten die Astronomen dann die Effekte der zwischen Teleskop und Galaxien liegenden Dunklen Materie ermitteln.

So genau wie nie zuvor

Das Ergebnis ist eine Karte der Dunklen Materie mit zuvor unerreichter Auflösung. „Sie ist doppelt so scharf wie alle früheren Kartierungen der Dunklen Materie durch andere Observatorien“, erläutert Scognamiglio. „Vorher haben wir nur ein verschwommenes Bild der Dunklen Materie gesehen. Jetzt sehen wir dank der unglaublichen Auflösung des Webb-Teleskops das unsichtbare Gerüst des Universums in erstaunlichem Detail.“

Konkret zeigt die neue Dunkle-Materie-Karte die Verteilung der Dunklen Materie in diesem Himmelsausschnitt mit einer Auflösung von rund einer Bogenminute. Das ist gut doppelt so hoch wie die Vorgängerkarte des Hubble-Weltraumteleskops.

Großräumige und filigrane Strukturen

Die Kartierung enthüllt dadurch nicht nur Ansammlungen Dunkler Materie in Galaxienhaufen und anderen großräumigen Strukturen, sondern auch das Netzwerk der Dunkle-Materie-Brücken, die diese Ansammlungen miteinander verbinden.

Die neue Karte verrät auch, wie eng normale Materie und Dunkle Materie gekoppelt sind. „Unsere Karte zeigt, wie diese unsichtbare Komponente des Universums die sichtbare Materie strukturiert hat und so die Entstehung von Galaxien, Sternen und letztlich auch des Lebens ermöglicht hat“, berichtet Koautor Gavin Leroy von der Durham University. „Die Karte enthüllt damit die verborgene, aber essenzielle Rolle der Dunklen Materie, des wahren Architekten des Universums.“