Es gibt mehrere Dinge, die uns mehr erregen als die Geheimnisse der dunklen Materie und die Krümmung der Raum-Zeit, aber wenn Sie in ein atemberaubendes Bild von Einsteins Ring gehüllt sind, wissen Sie, dass Sie sich in etwas Besonderem befinden.
Im Jahr 2014 beobachtete das Atakam Big Millimeter / Submillimeter Array Grid (ALMA) in Chile während seiner Long Baseline-Kampagne einen auffälligen Weltraum-Freak. Sie sah eine ferne Galaxie, die durch das Gravitationsfeld einer riesigen Vordergrundgalaxie bis zur Unkenntlichkeit verzerrt war. Dies ist der sogenannte "Einstein-Ring", benannt nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die vorhersagte, dass Raum-Zeit durch die Anwesenheit eines starken Gravitationsfeldes gebogen werden kann.
In diesem Fall befindet sich im Vordergrund eine Galaxie vor einer weiter entfernten Galaxie, die sich etwa 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt befindet, mit dem Ergebnis, dass sich das Licht einer weit entfernten Galaxie biegt, um eine gekrümmte Raumzeit zu passieren. Das Ergebnis war ein nahezu perfekter Kreis aus galaktischem Licht, der von ALMA als eines der bekanntesten Beispiele für Gravitationslinsen betrachtet wurde. Gravitationslinsen sind bei Weltraumbeobachtungen üblich, wenn massive Galaxien und Galaxienhaufen die Raumzeit als duktile Gummiplatte biegen und häufig einen „gekrümmten“ Spiegeleffekt erzeugen, der die beobachteten Formen ferner Galaxien verzerrt, deren Licht einen chaotischen Weg durch eine verschlungene Raumzeitlandschaft genommen hat. Aber manchmal, wie sich in diesem Beispiel herausstellte, kann die Ausrichtung so perfekt sein, dass das Licht einer entfernten Galaxie um den symmetrischen Vordergrund der Galaxie herum deformiert wird und hinter einer Lupe ein Ring entsteht, der einer Kerzenflamme ähnelt. Gravitationslinsen sind die natürlichen Vergrößerungslinsen des Universums und werden beispielsweise beim Hubble-Weltraumteleskop verwendet, um seine Beobachtungsstärke im Rahmen des Frontier Fields-Projekts zu erhöhen.
Obwohl es wie ein perfekter Ring aussieht, weist diese besondere Beobachtung der Gravitationslinse „SDP.81“ einige winzige Ringverzerrungen auf, und Astronomen nutzten diese Verzerrungen, um das Vorhandensein einer unsichtbaren Zwerggalaxie in unmittelbarer Nähe der massereicheren Linsengalaxie festzustellen. Und dieser winzige Sternhaufen ist voller dunkler Materie.
"Wir können diese unsichtbaren Objekte auf die gleiche Weise finden, wie Sie Regentropfen auf dem Fenster sehen können", sagte Yashar Hezaveh von der Stanford University, Kalifornien, in einer Erklärung. "Sie wissen, dass sie da sind, weil sie das Bild von Hintergrundobjekten verzerren." Regentropfen brechen das Licht auf subtile Weise und verzerren das Licht, das durch das Fenster fällt. In ähnlicher Weise führt das Gravitationsfeld einer unsichtbaren Zwerggalaxie zu geringfügigen Verzerrungen in Einsteins Ring, was sich in der winzigen Verformung der Raumzeit äußert.
Diese Verzerrung zu finden und zu verstehen, dass sie auf das Vorhandensein einer unsichtbaren Galaxie zurückzuführen ist, war keine leichte Aufgabe, und es waren enorme Rechenaufwendungen erforderlich, die insbesondere Zeit auf einem der leistungsstärksten Supercomputer der Welt, der National Science Foundation Blue Waters, beanspruchten. Aufgrund seiner Nähe zu einer größeren Galaxie, seiner geschätzten Masse und des Mangels an optischen Daten glaubt das Hezaveh-Team, eine sehr dunkle Zwerggalaxie gefunden zu haben, die von dunkler Materie dominiert wird.
Vorhersagen zufolge sollten große Galaxien eine große Population von Satellitenzwerggalaxien aufweisen, astronomische Studien können jedoch nur wenige Beispiele aufdecken. Unsere Galaxie hat bekanntlich ungefähr 40 solcher Satelliten, aber Modelle sagen voraus, dass es Tausende von ähnlichen geben sollte.
"Diese Diskrepanz zwischen beobachteten und vorhergesagten Daten über die Anzahl der Satelliten ist seit fast zwei Jahrzehnten ein großes Problem in der Kosmologie. Einige Forscher nannten es sogar eine" Krise ", sagte Teammitglied Neal Dalal von der University of Illinois. "Wenn diese Zwergobjekte aus dunkler Materie bestehen, könnte dies die Diskrepanz erklären und ein neues Verständnis der wahren Natur der dunklen Materie suggerieren."
Nun besteht die Hoffnung, dass viele andere Gravitationslinsen untersucht werden können, um nach Verzerrungen zu suchen, die von anderen Zwergen mit Dominanz der Dunklen Materie verursacht werden, und wir hoffen zu erklären, woher diese seltsame Ungleichheit der Beobachtungen im Vergleich zur Theorie stammt. Wenn wir das schaffen, können wir vielleicht die dunklen Modelle der Materie besser klären und dem Verständnis, warum dunkle Materie 85 Prozent der Gesamtmasse im Universum ausmacht, einen Schritt näher kommen.
