Dunkle Materie in Sichtweite?

  • 14. December 2006

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Riesenradioteleskope im Ultrakurzwellenbereich könnten hochaufgelöste Bilder der kosmischen Masseverteilung liefern.

Galaxien machen nur einen kleinen Teil der Masse im Universum aus, der große Rest besteht aus einer fremdartigen Materie, die sich bisher hartnäckig jeder direkten Beobachtung entzieht. Nun haben Forscher am Max-Planck-Institut für Astrophysik errechnet, dass ein sehr großes Radioteleskop ein äußerst detailliertes Bild der kosmischen Verteilung dieser unsichtbaren Dunklen Materie erstellen könnte. Es wäre erheblich höher aufgelöst als die besten mit optischen Teleskopen gewonnenen Aufnahmen. Diese neue Erkenntnis soll ermutigen, größere UKW-Teleskope zu bauen. Denn solche Bilder würden eine gewaltige Menge neuer Erkenntnisse darüber bringen, wie das Universum und seine Galaxien entstanden sind.

Abb.1: Massenverteilung in einem Himmelsgebiet so groß wie ein Viertel des Vollmonds. Links in der Auflösung eines optischen Weltraumteleskops (um die Strukturen zu verdeutlichen, wurde der Kontrast verdreifacht), rechts die vorausgesagte Auflösung eines 100 Kilometer großen Radioteleskops. Diese Bilder erstellte Stefan Hilbert am Max-Planck-Institut für Astrophysik mithilfe der Millennium Simulation, der bisher größten Computersimulation zur Strukturbildung im Kosmos. (Bild: Max-Planck-Institut für Astrophysik)

Das Licht von weit entfernten Quellen wird auf dem Weg zu uns durch die Schwerkraft von näher gelegenen Objekten abgelenkt. Diese gravitative Lichtablenkung verzerrt die Bilder von diesen Quellen wie eine entfernte Landschaft, die man durch eine krumme Fensterscheibe oder auf einer gekräuselten Teichoberfläche sieht. Aus der Verzerrung lässt sich die sichtbare und unsichtbare Masse im Vordergrund errechnen. Bislang arbeiteten Forscher nur mit der Verzerrung von Licht aus fernen Galaxien. Die Wissenschaftler R. Benton Metcalf und Simon White des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching haben nun aber ermittelt, dass die gravitative Verzerrung von Radiobildern prägalaktischen Gases viel detailliertere Karten der kosmischen Materieverteilung liefern würde. Die bislang nur verschwommenen, nahezu unbrauchbaren Aufnahmen der optischen Teleskope könnten Radioteleskope bis zu 20fach höher auflösen.

Die entsprechenden Radiowellen stammen aus den ersten halben Milliarden Jahren nach dem Urknall, bevor die ersten Galaxien erschienen. In diesem Zeitraum bestand die normale Materie aus einem fast gleichmäßig verteilten Gasgemisch von Wasserstoff und Helium mit geringen Dichteschwankungen. Diese schwachen Strukturen beeinflussen jedoch die kosmische Hintergrundstrahlung bei einer für Wasserstoff charakteristischen Wellenlänge von 21 Zentimetern und sind deshalb sichtbar. Da sich das Universum ausdehnt, ist diese Wellenlänge jetzt auf zwei bis 20 Metern angewachsen, was dem UKW-Bereich entspricht.

Je nach Entfernung der Radioquelle ändert sich deren Wellenlänge. Ein Radioteleskop kann deshalb diese Strukturen voneinander unterscheiden – bis zu tausend in jeder Richtung. So erhält man viele sehr weit entfernte Strahlungsquellen: die ideale Vorraussetzung, um aus deren gravitativer Verzerrung die Masse der davor liegenden Objekte genau zu errechnen. Anders als bisher könnten Forscher mithilfe der Radiowellen auch weit entfernte Strukturen erfassen, die hinter den Galaxien liegen, deren optische Bildverzerrung messbar ist. Außerdem könnte man so ein Bild des frühen Universums erstellen, als es noch keine Galaxien gab.

Abb. 2: Die Vorgänge im Universum nach dem Urknall. Die Radiowellen sind erheblich älter als das Licht der Galaxien. Aus der Verzerrung der Bilder (gebogene Linien), die die Schwerkraft der Materie zwischen uns und den Lichtquellen hervorruft, kann man die gesamte Vordergrundmasse errechnen und kartografieren. (Bild: Max-Planck-Institut für Astrophysik)

„Entsprechende Untersuchungen mit sehr großen Radioteleskopen würden eine neue Ära in der Hochpräzisions-Kosmologie einleiten und uns genauer verstehen lassen, wie Galaxien entstehen“, sagt Simon White. Sehr hochaufgelöste Bilder erfordern allerdings gigantische Radioteleskope: etwa ein dicht mit Radioantennen bestücktes Gebiet von etwa 100 Kilometer Durchmesser, das im Idealfall auf der Rückseite des Mondes liegt, wo die Antennen ohne die störenden Einflüsse der Erdatmosphäre arbeiten könnten.

„Um mit Radiowellen neue Ergebnisse zu erzielen, müssen wir aber nicht auf so ein Riesenteleskop warten“, sagt Simon White. Neben der Dunklen Materie gibt es nämlich noch ein weiteres finsteres Rätsel im Weltall: Die mysteriöse Dunkle Energie, welche die Ausdehnung des Universums beschleunigt. Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass sich selbst mit einer ungenaueren Massenkarte von kleineren Radioteleskopen die Eigenschaften dieser Dunklen Energie genauer bestimmen lassen als mit allen bisherigen geplanten Methoden.

Die Ergebnisse steigern jedenfalls die Erwartungen an Radioteleskope, die sich derzeit im Bau oder in Planung befinden. Eines der am weitesten gediehenen Projekte ist das Low Frequency Array (LOFAR) in den Niederlanden, das aus Tausenden über ein Netzwerk verbundener kleiner Radioantennen bestehen soll. Es deckt allerdings nur ein Zehntausendstel der Fläche des idealen Riesenteleskops ab. Das Max-Planck-Institut für Astrophysik will, zusammen mit anderen deutschen Instituten, beim LOFAR-Projekt eine wichtige Rolle übernehmen.

Quelle: MPG / [SW/AJ]

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