Wissenschaftler, die das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA nutzen, haben die detaillierteste und höchstaufgelöste Karte der Dunklen Materie erstellt, die jemals produziert wurde, und damit das verborgene Gravitationsgerüst enthüllt, das die Struktur des Universums über Milliarden von Jahren geformt hat. Die Forschungsarbeit, die am Montag in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde, analysierte fast 800.000 Galaxien, die über 255 Stunden im Rahmen der COSMOS-Web-Durchmusterung beobachtet wurden, dem größten Beobachtungsprogramm des ersten wissenschaftlichen Betriebsjahres des Teleskops. Die resultierende Karte bietet die doppelte Auflösung jeder früheren Karte der Dunklen Materie.
Das internationale Team, das gemeinsam von Forschern der Universität Durham, des Jet Propulsion Laboratory der NASA und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz geleitet wurde, kartierte eine Himmelsregion im Sternbild Sextans, die eine Fläche von etwa dem 2,5-Fachen des Vollmonds abdeckt. Mit einer Technik namens schwacher Gravitationslinseneffekt maßen die Wissenschaftler, wie die Schwerkraft unsichtbarer Masse das Licht von rund 250.000 entfernten Hintergrundgalaxien ablenkt und dabei subtile Formverzerrungen erzeugt, die die Verteilung unsichtbarer Materie offenbaren. Die Karte löste Strukturen der Dunklen Materie auf, die 8 bis 10 Milliarden Jahre zurückreichen — eine entscheidende Periode für die Galaxienbildung.
Die Erstautorin Diana Scognamiglio, beobachtende Kosmologin am Jet Propulsion Laboratory der NASA, erklärte, dass das James-Webb-Weltraumteleskop wie eine neue Brille für das Universum sei, die schwächere und entferntere Galaxien mit weitaus schärferen Details sichtbar mache als je zuvor. Sie betonte, dass diese Karte die größte mit Webb erstellte Karte der Dunklen Materie darstellt und doppelt so scharf ist wie jede Karte der Dunklen Materie anderer Observatorien. Die Karte erfasste die Formen von 129 Galaxien pro Quadratbogenminute und enthält etwa zehnmal mehr Galaxien als Karten derselben Region von bodengestützten Observatorien und doppelt so viele wie die des Hubble-Weltraumteleskops.
Die Ergebnisse zeigten eine starke Korrelation zwischen Galaxienhaufen und Konzentrationen Dunkler Materie in der gesamten kartierten Region. Professor Richard Massey von der Universität Durham erklärte, dass überall dort, wo heute im Universum normale Materie zu finden ist, auch Dunkle Materie vorhanden ist. Die Forschung zeigte, dass die Schwerkraft der Dunklen Materie die gewöhnliche Materie im Laufe der kosmischen Geschichte zu sich gezogen hat und dabei als Rückgrat und grundlegender Bauplan fungierte, auf dem sich die sichtbaren Galaxien zusammenfügten. Dies bestätigt theoretische Vorhersagen über die Rolle der Dunklen Materie bei der Strukturierung der großräumigen Architektur des Kosmos.
Die COSMOS-Web-Durchmusterung untersuchte denselben Himmelsausschnitt über 255 Stunden und baute auf einer wegweisenden Studie aus dem Jahr 2007 auf, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop die erste detaillierte Karte der Dunklen Materie desselben Feldes erstellt hatte. Die Webb-Daten enthüllten zuvor unsichtbare Filamente, Haufen und Unterdichten mit beispielloser Klarheit. Den Forschern gelang dieser Durchbruch durch die Nutzung von Webbs Infrarotempfindlichkeit, die es ihnen ermöglichte, weitaus entferntere und schwächere Galaxien zu erfassen und zu messen als jedes frühere Instrument.
Das Team plant, diese Arbeit mit dem kommenden Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop der NASA fortzusetzen, das die Dunkle Materie über ein 4.400-mal größeres Gebiet als die COSMOS-Region kartieren soll. Allerdings wird Roman nicht die räumliche Auflösung von Webb erreichen, was bedeutet, dass detailliertere Einblicke in die Struktur der Dunklen Materie ein Teleskop der nächsten Generation wie das vorgeschlagene Habitable Worlds Observatory erfordern werden. Die Studie stellt einen bedeutenden Schritt zur Erstellung einer dreidimensionalen Karte der Verteilung Dunkler Materie im beobachtbaren Universum dar.
Dunkle Materie macht etwa 27 Prozent des gesamten Massen- und Energiegehalts des Universums aus, kann jedoch nicht direkt beobachtet werden, da sie kein Licht emittiert, absorbiert oder reflektiert. Ihre Existenz wird aus Gravitationseffekten auf sichtbare Materie, Strahlung und die großräumige Struktur des Kosmos abgeleitet. Das Verständnis ihrer Verteilung gilt als wesentlich für die Erklärung, wie sich Galaxien über die 13,8 Milliarden Jahre lange Geschichte des Universums gebildet und entwickelt haben.
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