Juli 5, 2022

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Mit einer Pause haben Forscher eine Erklärung für dunkle Materie-arme Galaxien gefunden

Mit einer Pause haben Forscher eine Erklärung für dunkle Materie-arme Galaxien gefunden
Zoomen / Der leicht verschwommene Lichtfleck in der Mitte des Bildes ist die Galaxie DF2, die so gestreut ist, dass andere Galaxien dahinter deutlich sichtbar sind.

Der erste Beweis für dunkle Materie waren Galaxien, die sich so verhielten, als ob sie weitaus mehr Materie enthielten, als sich durch die Masse ihrer Sterne erklären ließe. Seitdem haben wir viele andere Hinweise darauf gefunden, dass das Universum mit Materie schwimmt, die wir nur aus der Wirkung der Schwerkraft ableiten können. Der ursprüngliche Beweis, dass Galaxien mit der Struktur der Dunklen Materie bestehen blieben.

Bis zu diesem unangenehmen Moment im Jahr 2018, als wir die Existenz von zu entdecken schienen Fast eine Galaxie ohne dunkle Materie. Während es Zweifel an dieser ersten Entdeckung gab, entdeckten die Forscher schließlich eine zweite Galaxie, die sehr ähnlich war. Das war ein Problem, da wir keine Ahnung hatten, wie solche Galaxien entstanden.

Jetzt haben Forscher bekannt gegeben, dass während der Durchführung eines Modells der Galaxienentstehung eine Reihe von Galaxien, die an dunkler Materie armen, natürlich erschienen. Und indem sie das Modell zurückverfolgen, um zu sehen, wie diese Galaxien entstanden sind, können Forscher eine Erklärung für diese Geheimnisse liefern.

Schließe dich der dunklen Seite an

Galaxien und dunkle Materie sind schwer zu trennen. Modelle des frühen Universums deuten darauf hin, dass dunkle Materie zu Filamenten verschmolzen ist (was… wir entdeckten), die sich in Knoten mit höherer Materiedichte treffen. Diese Knoten wiederum zogen die sichtbare Materie an, wodurch sich um sie herum Galaxienhaufen bildeten. Diese Galaxien werden dann viel dunkle Materie verschmelzen, die ihr Wachstum durch Verschmelzungen und Strukturprozesse bis heute geprägt hat. Daher ist es schwer zu verstehen, wie eine Galaxie mit so wenig dunkler Materie enden konnte.

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Als die Entdeckung einer scheinbar an dunkler Materie armen Galaxie zum ersten Mal bekannt gegeben wurde, waren die Zweifel groß. Ein Großteil dieser Unsicherheit konzentriert sich auf die Entfernung von der Galaxie zu uns, die für die Schätzung ihrer Masse und damit ihres Gehalts an Dunkler Materie entscheidend war. Aber das gleiche Team identifizierte eine zweite Galaxie, die viele der gleichen Eigenschaften wie die erste problematische Galaxie zu haben scheint.

Ein weiterer Grund, misstrauisch zu sein, ist, dass wir keine Ahnung hatten, wie sich diese Art von Galaxie gebildet hat. Wir haben viel Modellierung der Entstehung von Galaxien durchgeführt, einschließlich Modellen, die begannen, bevor sich Filamente aus dunkler Materie bildeten. Wenn dunkle Materie-arme Galaxien ein natürlicher Teil der Evolution des Universums wären, würden wir wahrscheinlich sehen, wie Modelle einen produzieren. Aber es gab keine Nachricht von jemandem, der daran teilnahm.

Also bleiben uns zwei scheinbar exzentrische Galaxien. Wir haben Fragen zu ihren tatsächlichen Eigenschaften und keinen Hinweis darauf, wie sie aussehen könnten. Dies ist kein pathologischer Zustand.

aktualisiertes Modell

Aber die Lösung könnte von verschiedenen Forschern stammen, die versuchten, etwas ganz anderes zu tun. Sie modellierten die Entwicklung von Galaxien mit einem hochmodernen Softwarepaket namens FIRE-2 (für „Reactions in Realistic Environments“). Obwohl sie nicht sagen, was sie zu sehen versuchten, sagen sie, dass es sich nicht um dunkle Materie-arme Galaxien handelte: „Wir merken an, dass wir vorher nicht damit gerechnet hatten (das heißt, unsere Simulationen waren ursprünglich nicht entworfen für diesen Zweck).“

Unabhängig von der Absicht erzeugte der Betrieb des Modells sieben Galaxien, die nahezu frei von dunkler Materie waren. Die Forscher benannten diese Namen nach den sieben Cherokee-Clans, was Dinge wie Blue, Deer und Wolf bedeutet, aber auch Dinge wie Long Hair und Wild Potato. Die letzten beiden Sätze sind für einige unerwartete Sätze in der Astronomiezeitung eingerichtet, wie „Zum Beispiel zeigt der Vogel S-förmige Schwänze mit geringer Helligkeit, während Langhaar sie nicht zu stören scheint.“

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Wie auch immer, das Nützliche hier ist, dass das Modell Informationen über Zwischenzustände gespeichert hat, was bedeutet, dass wir rechtzeitig Simulationen durchführen und sehen können, wie diese imaginären Galaxien ohne dunkle Materie entstanden sind. Aber es wird deutlich, dass diese Galaxien nicht so begonnen haben. Alle sieben waren zu irgendeinem Zeitpunkt in der Simulation wie typische kleine Galaxien mit natürlichen Ergänzungen von dunkler Materie.

Stattdessen verlor jede kleine Galaxie ihre dunkle Materie durch eine gescheiterte Fusion mit einer viel größeren Galaxie. Aus Sicht von Simulationen, die sich auf Metriken wie die Massenverteilung innerhalb einer Galaxie stützen, definieren die Forscher diese als „Close Encounters“. Aber aus der Perspektive, wie eine gescheiterte Verschmelzung aussehen würde, wenn wir sie abbilden würden, während sie stattfindet, würden die meisten Sterne der kleinen Galaxie in der Region liegen, die von den größeren Sternen der Galaxie besetzt ist. Kurz gesagt, die kleine Galaxie sah aus, als würde sie verschluckt, bevor sie irgendwie auf der anderen Seite auftauchte.

Aber die kleine Galaxie erschien nicht unverändert. Während bis zur Hälfte ihrer Sterne auftauchten, landete fast das gesamte Gas und die dunkle Materie in der größeren Galaxie.

Wenn die in diesem Modell gezeigten Statistiken allgemein anwendbar sind, könnte es außerhalb der beiden Galaxien, die wir bisher gefunden haben, noch viel mehr solcher Galaxien geben, denen es an dunkler Materie mangelt. Das Forschungsteam schätzt, dass bis zu 30 % der massereichen Galaxien im Universum in der Nähe kreisen müssen. Was wie eine Einladung an beobachtende Astronomen klingt, sich zu beschäftigen und mehr zu finden.

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Naturastronomie, 2019. DOI: 10.1038/s41550-021-01598-4 (Über DOIs).