Die mysteriösen Eigenschaften und das Verhalten der Dunklen Materie, dem unsichtbaren "Klebstoff" des Universums, bleiben weiterhin ein Rätsel. Obwohl Galaxien größtenteils aus Dunkler Materie bestehen, bietet das Verständnis ihrer Verteilung innerhalb einer Galaxie Hinweise darauf, was diese Substanz ist und wie sie für die Entwicklung der Galaxie relevant ist.

Während Computersimulationen nahelegen, dass sich Dunkle Materie im Zentrum einer Galaxie, genannt Dichtepeak, ansammeln sollte, deuten viele frühere Teleskopbeobachtungen darauf hin, dass sie stattdessen gleichmäßiger innerhalb der Galaxie verteilt ist. Der Grund für diese Diskrepanz zwischen Modellen und Beobachtungen verwirrt die Astronomen weiterhin und verstärkt das Geheimnis der Dunklen Materie.

Ein Team von Astronomen wandte sich an das Hubble-Weltraumteleskop der NASA, um zu versuchen, diese Diskussion zu klären, indem sie die dynamischen Bewegungen von Sternen innerhalb der Zwerggalaxie Draco, eines etwa 250.000 Lichtjahre von der Erde entfernten Systems, messen. Durch die Nutzung von Beobachtungen über 18 Jahre konnten sie das genaueste dreidimensionale Verständnis der Sternbewegungen innerhalb der kleinen Galaxie aufbauen. Dies erforderte eine gründliche Durchsuchung von fast zwei Jahrzehnten Hubble-Archivbeobachtungen der Draco-Galaxie.

"Unsere Modelle stimmen mehr mit einer Dichtepeak-Struktur überein, was mit kosmologischen Modellen übereinstimmt", sagte Eduardo Vitral vom Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore und Hauptautor der Studie. "Obwohl wir nicht definitiv sagen können, dass alle Galaxien eine Dichtepeak-Verteilung von Dunkler Materie enthalten, ist es aufregend, solch gut gemessene Daten zu haben, die alles übertreffen, was wir zuvor hatten."

Kartierung der Sternbewegungen
Um mehr über die Dunkle Materie innerhalb einer Galaxie zu erfahren, können Wissenschaftler ihre Sterne und deren Bewegungen studieren, die von der Anziehung der Dunklen Materie dominiert werden. Ein üblicher Ansatz zur Messung der Geschwindigkeit von Objekten, die sich im Weltraum bewegen, ist der Doppler-Effekt – die Änderung der Wellenlänge des Lichts, wenn sich ein Stern der Erde nähert oder sich von ihr entfernt. Während diese Radialgeschwindigkeit wertvolle Einblicke liefern kann, kann aus dieser eindimensionalen Informationsquelle nur so viel gelernt werden.

Neben der Annäherung oder Entfernung von uns bewegen sich Sterne auch über den Himmel, was als Eigenbewegung gemessen wird. Durch die Kombination der Radialgeschwindigkeit mit der Eigenbewegung erstellte das Team eine beispiellose Analyse der dreidimensionalen Sternbewegungen.

"Verbesserungen in den Daten und Verbesserungen im Modellieren gehen normalerweise Hand in Hand", erklärte Roeland van der Marel vom STScI, ein Mitautor der Arbeit, der die Studie vor mehr als 10 Jahren initiierte. "Wenn Sie keine sehr ausgefeilten Daten oder nur eindimensionale Daten haben, können relativ einfache Modelle oft passen. Je mehr Dimensionen und Komplexität der Daten Sie sammeln, desto komplexer müssen Ihre Modelle sein, um wirklich alle Feinheiten der Daten zu erfassen."

Ein wissenschaftlicher Marathon, kein Sprint
Da Zwerggalaxien für einen höheren Anteil an Dunkler Materie im Vergleich zu anderen Galaxietypen bekannt sind, konzentrierte sich das Team auf die Zwerggalaxie Draco, einen relativ kleinen und spheroidalen Nachbarn der Milchstraße.

"Wenn Sie die Eigenbewegung messen, zeichnen Sie die Position eines Sterns in einer Epoche auf und messen dann viele Jahre später die Position desselben Sterns. Sie messen die Verschiebung, um zu bestimmen, wie weit er sich bewegt hat", erklärte Sangmo Tony Sohn vom STScI, ein weiterer Mitautor der Arbeit und Hauptforscher des neuesten Beobachtungsprogramms. "Für diese Art der Beobachtung gilt: Je länger Sie warten, desto besser können Sie die Verschiebung der Sterne messen."

Das Team analysierte eine Reihe von Epochen von 2004 bis 2022, eine umfangreiche Datenbank, die nur Hubble bieten konnte, dank seiner Kombination aus scharfer, stabiler Sicht und rekordverdächtiger Betriebszeit. Das reichhaltige Archiv des Teleskops half, das Maß an Unsicherheit bei der Messung der Eigenbewegungen der Sterne zu reduzieren. Die Präzision entspricht der Messung einer jährlichen Verschiebung, die etwas kleiner ist als die Breite eines Golfballs, der vom Mond aus auf der Erde zu sehen ist.

Mit drei Dimensionen von Daten reduzierte das Team die Menge der in früheren Studien angewendeten Annahmen und berücksichtigte in ihren Modellen spezifische Merkmale der Galaxie – wie ihre Rotation und die Verteilung von Sternen und Dunkler Materie.

Eine aufregende Zukunft
Die für die Zwerggalaxie Draco entwickelten Methoden und Modelle können in Zukunft auf andere Galaxien angewendet werden. Das Team analysiert bereits Hubble-Beobachtungen der Zwerggalaxien Sculptor und Ursa Minor.

Das Studium der Dunklen Materie erfordert die Beobachtung verschiedener galaktischer Umgebungen und umfasst auch die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Weltraumteleskop-Missionen. Zum Beispiel wird das kommende NASA-Weltraumteleskop Nancy Grace Roman dank seiner Fähigkeit, große Teile des Himmels zu durchsuchen, neue Details über die Eigenschaften der Dunklen Materie unter verschiedenen Galaxien aufdecken.

"Diese Art von Forschung ist eine langfristige Investition und erfordert viel Geduld", reflektierte Vitral. "Wir können diese Wissenschaft dank all der Planung, die im Laufe der Jahre durchgeführt wurde, um diese Daten tatsächlich zu sammeln. Die Erkenntnisse, die wir gesammelt haben, sind das Ergebnis der Arbeit einer breiteren Gruppe von Forschern, die seit Jahren an diesen Dingen arbeiten."

Das Hubble-Weltraumteleskop ist seit mehr als drei Jahrzehnten in Betrieb und macht weiterhin bahnbrechende Entdeckungen, die unser grundlegendes Verständnis des Universums prägen. Hubble ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen NASA und ESA (Europäische Weltraumorganisation). Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet das Teleskop und die Missionsoperationen. Lockheed Martin Space, mit Sitz in Denver, Colorado, unterstützt ebenfalls die Missionsoperationen in Goddard. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, das von der Association of Universities for Research in Astronomy betrieben wird, führt die wissenschaftlichen Operationen von Hubble für die NASA durch.

Quelle: National Aeronautics and Space Administration