Astronomen „sehen” ein mysteriöses dunkles Objekt im fernen Universum

In Kürze:

• Astronomen haben mittels eines virtuellen Superteleskops ein dunkles Objekt im fernen Universum entdeckt, das 1 Million Mal so viel Masse wie die Sonne hat.
• Die Entdeckung basiert auf der Analyse der Gravitationseffekte, wodurch Forscher dunkle Materie „sehen“ können, obwohl diese kein Licht aussendet.
• Die Astronomen suchen weitere Objekte dieser Art, um vielleicht einige Theorien zur dunklen Materie ausschließen zu können.

Dunkle Materie ist eine rätselhafte Form von Materie, die kein Licht ausstrahlt. Sie ist jedoch für das Verständnis der Entwicklung der vielfältigen Sternen- und Galaxienstruktur, die wir am Nachthimmel sehen, von entscheidender Bedeutung.

Da dunkle Materie nicht sichtbar ist, können Astronomen ihre Eigenschaften nur durch Beobachtung der Wirkung ihrer Gravitation bestimmen. Dabei wird das Licht eines weiter entfernten Objekts durch die Schwerkraft des dunklen Objekts verzerrt und abgelenkt.

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„Die Suche nach dunklen Objekten, die offenbar kein Licht ausstrahlen, ist eindeutig eine Herausforderung“, sagte Dr. Devon Powell vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und Hauptautor der in „Nature Astronomy“ veröffentlichten Studie. „Da wir sie nicht direkt sehen können, verwenden wir sehr weit entfernte Galaxien als Hintergrundbeleuchtung, um nach ihren Gravitationsspuren zu suchen.“

Objekt mit der geringsten Masse

Das Team nutzte dafür ein Netzwerk von Teleskopen aus aller Welt. Durch das Zusammenfügen der Daten entstand ein virtuelles Superteleskop, das denselben Durchmesser wie die Erde hat. Mit dieser Technik konnten die Astronomen schließlich das subtile Signal eines dunklen Objekts erfassen.

Dieses Objekt besitzt 1 Million Mal mehr Masse als unsere Sonne und befindet sich in einer entfernten Region des Weltraums, die etwa 10 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist – als das Universum erst 6,5 Milliarden Jahre alt war. Zudem ist es das Objekt mit der geringsten Masse, das Astronomen je mit dieser Technik entdeckt haben, um den Faktor 100 leichter. Um diese Empfindlichkeit zu erreichen, musste das Team mithilfe der Radioteleskope ein hochauflösendes Bild des Himmels erstellen.

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„Auf dem ersten hochauflösenden Bild sahen wir sofort eine Verengung im Gravitationsbogen. Das war ein eindeutiges Zeichen dafür, dass wir auf der richtigen Spur waren. Nur eine weitere kleine Massenansammlung zwischen uns und der entfernten Radiogalaxie konnte dies verursachen“, erklärte John McKean, Hauptautor einer Begleitveröffentlichung in den „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“.

Überlagerung der Infrarotemission (schwarz-weiß) mit der Radioemission (farbig). Das dunkle Objekt mit geringer Masse befindet sich in der „Lücke“ im hellen Teil des Bogens auf der rechten Seite (Vergrößerung siehe unten). Foto: Keck/EVN/GBT/VLBA via Max-Planck-Gesellschaft

Licht ins Dunkle bringen

Um den riesigen Datensatz zu analysieren, musste das Team neue Modellierungsalgorithmen entwickeln. Diese Datenmengen können jedoch nur hochmoderne Supercomputer bewältigen.

„Die Daten sind so umfangreich und komplex, dass wir neue Ansätze zu ihrer Modellierung entwickeln mussten. Das war nicht einfach, da dies noch nie zuvor gemacht wurde“, sagte Simona Vegetti vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. „Wir gehen davon aus, dass jede Galaxie, einschließlich unserer eigenen Milchstraße, mit Klumpen dunkler Materie gefüllt ist. Um sie zu finden und die Fachwelt von ihrer Existenz zu überzeugen, sind jedoch umfangreiche Berechnungen erforderlich.“

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Das Team wandte für seine Forschung eine spezielle Technik namens Gravitationsbildgebung an. „Angesichts der Empfindlichkeit unserer Daten hatten wir erwartet, mindestens ein dunkles Objekt zu finden […]“, sagt Powell. „Nachdem wir eines gefunden haben, stellt sich nun die Frage, ob wir weitere finden können und ob die Zahlen weiterhin mit den Modellen übereinstimmen.“

Das Team analysiert die Daten nun weiter, um besser zu verstehen, was dieses mysteriöse dunkle Objekt sein könnte. Es untersucht aber auch andere Teile des Himmels, um mit derselben Technik nach weiteren dunklen Objekten mit geringer Masse zu suchen.

Sollten die Forscher weitere dieser mysteriösen, völlig sternenfreien Objekte in anderen Teilen des Universums finden, könnten einige Theorien zur dunklen Materie ausgeschlossen werden.

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Neue Methode für alte Theorien

Bei der Gravitationsbildgebung handelt es sich um eine neue Methode, mit der Astronomen Masse im Universum „sehen“ können, obwohl diese kein Licht aussendet. Dabei werden ausgedehnte, sogenannte Gravitationsbögen genutzt, um nach kleinen Abweichungen zu suchen, die nur durch eine zusätzliche, unsichtbare Massekomponente verursacht werden können. Durch die Kombination dieser Methode mit der hochauflösenden Bildgebung aus den Radioteleskopdaten konnte das Team das derzeit kleinste gemessene dunkle Objekt nachweisen.

Grundlage der Entdeckung sind Gravitationslinsen – ein astrophysikalisches Werkzeug, mit dem Forscher die Masseneigenschaften von Strukturen im Universum messen. Es basiert auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, nach der Masse im Universum den Raum krümmt. Wenn die Masse des im Vordergrund liegenden Linsenobjekts ausreichend groß ist, wird somit Licht von entfernten Objekten verzerrt, sodass diese mehrfach zu sehen seien können.

Im Fall des neuen Objekts führt die infrarotleuchtende Galaxie im Vordergrund sogar zu einem Einstein-Ring der entfernten Galaxie. Die entfernte Galaxie ist jedoch auch im Radiofrequenzbereich hell und zeigt Mehrfachbilder und Gravitationsbögen.

Das dunkle Objekt ist durch den weißen Fleck an der Verengung des Bogens markiert. Bisher konnten die Forscher kein Licht von ihm nachweisen. Foto: Keck/EVN/GBT/VLBA via Max-Planck-Gesellschaft