ALMA enthüllt eine subtile Signatur dunkler Materie

Forscher nutzten ALMA, um die Verteilung der Dunklen Materie auf Skalen zu erfassen, die kleiner sind als die von massereichen Galaxien. Diese historische Beobachtung von Fluktuationen der Dunklen Materie auf der 30.000-Lichtjahre-Skala stützt das Modell der kalten Dunklen Materie und liefert wichtige Einblicke in die Struktur des Universums.

Bahnbrechende Beobachtungen offenbaren Fluktuationen der Dunklen Materie unterhalb der Ebene von Galaxien, bestätigen Theorien über kalte Dunkle Materie und liefern neue Einblicke in die Entstehung des Universums.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Kaiki Taro Inoue von der Kindai-Universität (Osaka, Japan) hat mit dem weltweit leistungsstärksten Radiointerferometer, dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, Schwankungen in der Verteilung der Dunklen Materie im Universum auf Skalen kleiner als massereiche Galaxien entdeckt . Array).Alma), mit Sitz in der Republik Chile.

Dies ist das erste Mal, dass räumliche Fluktuationen der Dunklen Materie im fernen Universum auf einer Skala von 30.000 Lichtjahren nachgewiesen wurden. Dieses Ergebnis zeigt, dass kalte dunkle Materie^[1] Dies ist sogar auf Skalen kleiner als bei massereichen Galaxien vorzuziehen und ein wichtiger Schritt zum Verständnis der wahren Natur der Dunklen Materie. Der Artikel wird veröffentlicht in Die Astrophysikalisches Journal.

Abbildung 1. In Dunkler Materie festgestellte Fluktuationen. Eine hellere orange Farbe weist auf Bereiche mit hoher Dichte dunkler Materie hin, eine dunklere orange Farbe weist auf Bereiche mit geringer Dichte dunkler Materie hin. Die weißen und blauen Farben stellen von ALMA beobachtete Objekte mit Gravitationslinsen dar. Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), KT Inoue et al.

die Haupt-Punkte

• Beobachtung durch eines der weltweit größten Radiowelleninterferometer ALMA, ein internationales Projekt.
• Die erste Entdeckung von Fluktuationen der Dunklen Materie im Universum auf Skalen von weniger als 30.000 Lichtjahren.
• Ein wichtiger Schritt zur Aufklärung der wahren Natur der Dunklen Materie.

ALMA erkennt kleinräumige Schwankungen in der Verteilung der Dunklen Materie

Dunkle Materie, die unsichtbare Materie, die einen Großteil der Masse des Universums ausmacht, soll vermutlich eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Strukturen wie Sternen und Galaxien gespielt haben.^[2] Da dunkle Materie nicht gleichmäßig im Raum, sondern in Klumpen verteilt ist, kann ihre Schwerkraft den Weg des Lichts (einschließlich Radiowellen) von entfernten Lichtquellen leicht verändern. Beobachtungen dieses Effekts (Gravitationslinseneffekt) haben gezeigt, dass Dunkle Materie mit relativ massereichen Galaxien und Galaxienhaufen verbunden ist, ihre Verteilung auf kleineren Skalen ist jedoch noch nicht bekannt.

Das Forschungsteam beschloss, mit ALMA ein Objekt zu beobachten, das 11 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Das Objekt ist ein Linsenquasar,^[3] MG J0414+0534^[4] (im Folgenden als „dieser Quasar“ bezeichnet).

Aufgrund des Gravitationslinseneffekts der Vordergrundgalaxie scheint dieser Quasar ein viereckiges Bild zu haben. Die Positionen und Formen dieser scheinbaren Bilder unterscheiden sich jedoch von denen, die ausschließlich aus dem Gravitationslinseneffekt der Vordergrundgalaxie berechnet wurden, was darauf hindeutet, dass der Gravitationslinseneffekt der Verteilung der Dunklen Materie auf kleineren Skalen als bei massereichen Galaxien am Werk ist.

Abbildung 2: Konzeptdiagramm des Gravitationslinsensystems MG J0414+0534. Das Objekt in der Bildmitte weist auf eine Linsengalaxie hin. Orange zeigt dunkle Materie im intergalaktischen Raum und blasses Gelb zeigt dunkle Materie in einer linsenförmigen Galaxie an. Bildnachweis: NAOJ, KT Inoue

Es wurde festgestellt, dass es selbst auf einer Skala von etwa 30.000 Lichtjahren räumliche Schwankungen in der Dichte der Dunklen Materie gibt, was viel weniger ist als die kosmische Skala (mehrere zehn Milliarden Lichtjahre). Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der theoretischen Vorhersage der kalten dunklen Materie, die vorhersagt, dass Klumpen dunkler Materie nicht nur innerhalb von Galaxien (blassgelb in Abbildung 2), sondern auch im intergalaktischen Raum (orange in Abbildung 2) existieren.

Die Gravitationslinseneffekte der in dieser Studie gefundenen Klumpen dunkler Materie sind so gering, dass es äußerst schwierig ist, sie allein zu erkennen. Dank des Gravitationslinseneffekts, der durch die Vordergrundgalaxie verursacht wird, und der hohen Auflösung von ALMA konnten wir die Effekte jedoch erstmals erkennen. Daher ist diese Forschung ein wichtiger Schritt, um die Theorie der Dunklen Materie zu überprüfen und ihre wahre Natur zu klären.

Diese Forschung wird in einem Artikel mit dem Titel „ALMA-Messung der Linsenleistungsspektren bei 10 kpc in Richtung des Linsenquasars MG J0414+0534“ von KT Inoue et al. vorgestellt. Im Astrophysikalisches Journal.

Anmerkungen

1. Kalte dunkle Materie
   Wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt die Dichte der Materie ab, sodass Teilchen der Dunklen Materie (für Licht unsichtbare Materie) nicht mehr auf andere Teilchen treffen und eine unabhängige Bewegung ausführen, die sich von der Bewegung gewöhnlicher Materie unterscheidet. In diesem Fall werden Teilchen der Dunklen Materie, die sich im Vergleich zur gewöhnlichen Materie mit einer Geschwindigkeit bewegen, die viel geringer als die Lichtgeschwindigkeit ist, als kalte Dunkle Materie bezeichnet. Aufgrund ihrer geringen Geschwindigkeit sind sie nicht in der Lage, großräumige Strukturen im Universum zu löschen.
2. Strukturbildung im Universum
   Es wird angenommen, dass sich Sterne und Galaxien im frühen Universum als Folge des gravitativen Wachstums von Dichteschwankungen der Dunklen Materie und der Ansammlung von Wasserstoff und Helium, die von Klumpen Dunkler Materie angezogen wurden, gebildet haben. Die Verteilung der Dunklen Materie auf Skalen, die kleiner sind als die massereicher Galaxien, ist noch unbekannt.
3. Quasar
   Ein Quasar ist die zentrale, kompakte Region einer Galaxie, die extrem helles Licht aussendet. Das Gesamtgebiet und seine Umgebung enthalten eine große Menge Staub, der Radiowellen aussendet.
4. MG J0414+0534
   MG J0414+0534 befindet sich von der Erde aus gesehen in Richtung des Sternbildes Stier. Die Rotverschiebung (Zunahme der Lichtwellenlänge dividiert durch die ursprüngliche Wellenlänge) dieses Objekts beträgt z=2,639. Die entsprechende Entfernung wird unter Berücksichtigung der Unsicherheit der kosmologischen Parameter mit 11 Milliarden Lichtjahren angenommen.

Referenz: „ALMA-Messung der Linsenkraftspektren bei 10 kpc in Richtung des Linsenquasars MG J0414+0534“ von Kaiki Taro Inoue, Takeo Minezaki, Satoki Matsushita und Koichiro Nakanishi, 7. September 2023, Astrophysikalisches Journal.
doi: 10.3847/1538-4357/aceb5f

Diese Arbeit wurde durch einen Zuschuss für wissenschaftliche Forschung der Japan Society for the Promotion of Science (Nr. 17H02868, 19K03937), das National Astronomical Observatory of Japan ALMA Joint Scientific Research Project 2018-07A, unterstützt ALMA JAPAN Research Fund NAOJ-ALMA-256 und Taiwan MoST. 103-2112-M-001-032-MY3, 106-2112-M-001-011, 107-2119-M-001-020, 107-2119- M-001-020.