Ein internationales Forschungsteam hat entdeckt, dass dunkle Materie die Halos zweier supermassereicher Schwarzer Löcher in Galaxien dominiert, die etwa 13 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Dies geht aus einer neuen Studie hervor, die am 5. Februar im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde.
Diese Forschung liefert neue Erkenntnisse über das Verhältnis zwischen dunkler Materie und supermassereichen Schwarzen Löchern zu einer Zeit, als das Universum noch sehr jung war, und zeigt, wie sich Galaxien bis heute entwickelt haben.
Die erste Wissenschaftlerin, die erkannte, dass dunkle Materie eine entscheidende Rolle in Galaxien spielt, war die Astronomin Vera Rubin. In den 1970er-Jahren stellte sie fest, dass die äußeren Bereiche lokaler Galaxien mit höheren Geschwindigkeiten rotierten als erwartet. Diese Beobachtung führte zur Entdeckung der sogenannten flachen Rotationskurve. Wären Galaxien ausschließlich aus sichtbarer Materie – also Sternen und Gas – aufgebaut und folgten sie Newtons Gesetzen, dann müsste sich das äußere Material langsamer bewegen als das Material in den zentralen Regionen. Rubins Messungen ergaben jedoch, dass eine große Menge unsichtbarer Masse vorhanden sein muss, die die Galaxien wie ein Halo umgibt. Nur so ließ sich erklären, warum sich Sterne und Gas weit entfernt vom Galaxienzentrum mit unerwartet hoher Geschwindigkeit bewegen.
Obwohl dunkle Materie für unser Verständnis des Universums von grundlegender Bedeutung ist, blieb ihre Verteilung im frühen Kosmos bislang weitgehend unbekannt.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Qinyue Fei, Gastwissenschaftler am Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) der Universität Tokio und Doktorand an der Peking-Universität, untersuchte zusammen mit Kavli-IPMU-Professor John Silverman, Dr. Seiji Fujimoto von der University of Texas in Austin und Ran Wang, außerordentlicher Professor am Kavli-Institut für Astronomie und Astrophysik der Peking-Universität, den Anteil dunkler Materie in supermassereichen Schwarzen Löchern, die etwa 13 Milliarden Lichtjahre entfernt sind.
„Vera Rubin lieferte die ersten Hinweise auf dunkle Materie anhand von Rotationskurven benachbarter Galaxien. Wir nutzen die gleiche Methode, aber nun für Galaxien im frühen Universum“, erklärte Silverman.
Die Untersuchungen basierten auf Daten des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und der Emissionslinie des ionisierten Kohlenstoffs (C+). Damit konnten die Forschenden die Gasdynamik von zwei Quasar-Gastgalaxien bei einer Rotverschiebung von 6 analysieren. Die Auswertung der Rotationskurven ergab, dass etwa 60 Prozent der gesamten Masse dieser Galaxien aus dunkler Materie bestehen.
Die Geschwindigkeitsveränderungen in Abhängigkeit vom Radius der Galaxie wurden anhand von blauverschobenem Gas (das sich auf die Forschenden zubewegt) und rotverschobenem Gas (das sich von ihnen entfernt) erfasst.
Frühere Untersuchungen zeigten, dass die Rotationskurven in weit entfernten Galaxien abflachen, was auf einen geringen Anteil dunkler Materie hindeutet. Doch die von Fei und Silvermans Team erfassten Daten zeichnen ein anderes Bild: Sie zeigen flache Rotationskurven, ähnlich denen massereicher Spiralgalaxien in der näheren Umgebung der Erde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass mehr dunkle Materie erforderlich ist, um die beobachteten hohen Rotationsgeschwindigkeiten zu erklären.
Die Forschungsergebnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der komplexen Wechselwirkung zwischen dunkler Materie und supermassereichen Schwarzen Löchern. Sie helfen, die Entwicklung der Galaxien vom frühen Universum bis zu den Strukturen nachzuvollziehen, die wir heute beobachten können.