Forschung

Galaxienhaufen sind zu klumpig

10.09.2020 - Gravitationslinsen zeigen erheblich mehr Verdichtungen als vorhergesagt.

Etwa achtzig Prozent der Masse im Kosmos besteht aus dunkler Materie, die nach derzeitigem Verständnis ausschließlich über die Gravitation mit normaler, also baryonischer Materie wechselwirkt. Die dunkle Materie spielt eine entscheidende Rolle bei der kosmologischen Struktur­bildung: Unter dem Einfluss der Schwerkraft bilden sich Verdichtungen aus dunkler Materie, in denen sich dann auch die sichtbare Materie ansammelt. Da also die sichtbare Materie in Ansammlungen aus dunkler Materie eingebettet ist, bezeichnen Kosmologen letztere auch als „Halos“. Im heutigen Kosmos enthalten die größten Halos – die als Galaxien­haufen sichtbar sind – typischerweise 1014 bis 1015 Sonnenmassen und etwa tausend Galaxien.
 

Da die dunkle Materie selbst nicht sichtbar ist, lässt sich ihre Verteilung nur auf indirektem Weg über ihre Gravitation untersuchen. Eine wichtige Rolle dabei spielt der Gravitations­linsen­effekt, also die Ablenkung des Lichts einer weiter entfernten Strahlungs­quelle an einem massereichen Vorder­grund­objekt. Dieser Effekt führt – im „schwachen“ Fall – dazu, dass die Bilder ferner Galaxien leicht deformiert sind, weil ihr Licht auf dem Weg zu uns zahlreiche kosmische Strukturen durchquert. Dieser „schwache“ Gravitations­linsen­effekt ist ein etabliertes Mittel, um die großräumige Entwicklung und Struktur des Universums zu untersuchen.

Durchquert das Licht allerdings direkt einen großen Galaxienhaufen, so kann es zu einem „starken“ Gravitations­linseneffekt kommen: Es können Mehrfachbilder von Galaxien auftreten und einzelne Galaxien können zu langen Bögen auseinander gezogen erscheinen. Mithilfe des starken Gravitations­linseneffekts konnten Astronomen bereits bei vielen Galaxien­haufen die Gesamt­masse und ihre großräumige Verteilung bestimmen und so auch den hohen Anteil an dunkler Materie bestätigen.

Massimo Meneghetti vom italienischen National­institut für Astrophysik in Bologna und sein internationales Team sind nun noch einen Schritt weiter gegangen. Nicht nur der Galaxien­haufen als ganzes wirkt als Gravitationslinse, so die Überlegung der Forscher, sondern auch Subhalos, also Verdichtungen der dunklen Materie innerhalb des Haufens. Dieses „Galaxy-Galaxy Strong Lensing“, kurz GGSL, kann lokal zu weiteren Mehrfach­bildern und Bögen der Hintergrund-Galaxien führen. Das Team hat tiefe Aufnahmen des Hubble Space Telescopes, sowie spektro­skopische Daten des Very Large Telescopes der Europäischen Südstern­warte ESO von insgesamt elf großen Galaxien­haufen neu analysiert und nach GGSL-Bildern gesucht – und wurde häufiger fündig als erwartet: Insgesamt stießen die Forscher auf 33 Gravitations­linsen-Ereignisse durch Subhalos.

Im nächsten Schritt verglichen die Forscher dieses Ergebnis mit Simulationen der kosmischen Struktur­entwicklung. Dazu griffen sie auf Standard­simulationen zurück, die neben den kosmologischen Parametern auch Sternentwicklung, Abkühlung durch Gasströme und die Strahlung von Supernovae und supermassereichen schwarzen löchern berücksichtigen. Meneghetti und seine Kollegen selektierten 25 simulierte Galaxien­haufen, die mit Blick auf ihre Massen, ihre Rot­verschiebungen und ihre Morphologie den beobachteten Haufen glichen. Für diese simulierten Haufen berechneten sie dann die Kaustiken der Gravitations­linsen-Abbildung und daraus die Wahrscheinlich­keiten für starke Effekte durch Subhalos. Das Ergebnis: Die beobachtete Häufigkeit von GGSL-Ereignissen übertrifft die aus den Simulationen erwartete Anzahl um mehr als eine Größenordnung.

Prinzipiell sehen Meneghetti und seine Kollegen zwei Möglichkeiten, diese Diskrepanz zu erklären: Entweder gibt es systematische Fehler bei den Simulationen – oder die Simulationen enthalten falsche Annahmen bezüglich der dunklen Materie. Gegen die Annahme systematischer Fehler spricht für die Forscher ein anderes, seit langem bekanntes Problem der kosmologischen Simulationen: Sie produzieren erheblich mehr Zwerg­galaxien als in Galaxien­haufen beobachtet werden. Sollten systematische Fehler für eine zu geringe Anzahl von lokalen Verdichtungen in Galaxien­haufen sorgen, würde dies im Endeffekt das Problem der Zwerggalaxien noch verschärfen, so Meneghetti und seine Kollegen.

Bleibt als Alternative, dass die dunkle Materie sich anders verhält als angenommen. In die kosmologischen Simulationen geht die Annahme ein, die dunkle Materie wechselwirke mit baryonischer Materie ausschließlich über die Gravitation. Denn bislang war die Suche nach jeder anderen Form der Wechsel­wirkung erfolglos. Doch insbesondere in den Bereichen von Galaxien­haufen mit einer hohen Massendichte könnten dunkle und baryonische Materie anders koppeln als bislang angenommen, so die Materie­verteilung beeinflussen und die beobachtete Diskrepanz erklären. Die Häufigkeit des Subhalo-Linseneffekts könnte damit erste Hinweise auf die Natur der dunklen Materie liefern.   

Rainer Kayser
 

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