Kaum Schub durch Dunkle Materie

Verblüffende Entdeckung: Die Dunkle Materie hatte im frühen Universum viel weniger Einfluss auf Galaxien als heute. Denn wie Astronomen herausfanden, drehen sich die Außenbereiche dieser frühen Sternansammlungen überraschend langsam. Das aber ist nur erklärbar, wenn in den damaligen Galaxien die normale Materie die Überhand hatte – und die Dunkle Materie weitgehend fehlte, so die Forscher im Fachmagazin „Nature“.

Die Dunkle Materie macht einen großen Anteil der Masse unserer Milchstraße aus, sie steckt in Dunklen Galaxien und bildet sogar ganze Brücken und Filamente in unserer kosmischen Umgebung. Sie ist dabei zwar nicht sichtbar, verrät sich aber durch ihre Schwerkraftwirkung. So treibt ihre starke Präsenz im Halo der lokalen Galaxien die Rotation der äußeren Galaxienbereiche an und sorgt für eine innen und außen fast gleichschnelle Drehbewegung.

Unklar aber ist bisher, wie die Dunkle Materie im Universum verteilt ist: War sie in der Anfangszeit des Kosmos schon ähnlich dicht wie heute – und beeinflusste sie auch damals schon das Verhalten der frühen Galaxien?

Überraschend andere Rotation

Um das zu klären, haben Astronomen um Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching nun die Rotation von mehreren hundert sternbildenden Galaxien in bis zu zehn Milliarden Lichtjahren Entfernung untersucht. Sie nutzten dafür unter anderem Spektrometer am Very Large Telescope der ESO in Chile. Bei sechs dieser Galaxien gelang es sogar, individuelle Rotationskurven zu ermitteln.

Das überraschende Ergebnis: Die Galaxien im jungen Universum rotierten anders als die heutigen. „Erstaunlicherweise sind die Rotationsgeschwindigkeiten bei ihnen nicht konstant, sondern nehmen mit zunehmendem Abstand zu Zentrum ab“, berichtet Genzel. Dadurch drehen sich bei diesen frühen Galaxien die Außenbereiche viel langsamer als das Zentrum, während heutige Spiralgalaxien außen und innen nahezu gleich schnell rotieren.

Fehlende Dunkle Materie

Doch was ist die Ursache dafür? Nach Ansicht der Astronomen muss die Dunkle Materie dahinterstecken – oder vielmehr ihr Fehlen. Offenbar wurden die Galaxien im frühen Universum weniger von der Dunklen Materie dominiert als die heutigen. In ihren Halos muss es daher deutlich weniger Dunkle Materie gegeben haben, so dass der „Schwunggeber“ für die Drehung im Außenbereich fehlte.

Dies wird durch Vergleiche von insgesamt 240 nahen und fernen sternbildenden Scheibengalaxien gestützt: Demnach macht die normale Materie zwar im Mittel 56 Prozent der Masse in allen Galaxien aus, bei den frühen Galaxien jedoch besteht das Innere fast ausschließlich aus ihr. „Wenn wir das, was wir in Form von Sternen und Gas sehen, abziehen, bleibt nicht viel Raum für die Dunkle Materie in diesen frühen Scheibengalaxien“, sagt Koautor Stijn Wuyts von der University of Bath.

Wo versteckte sie sich?

Doch wo steckte die Dunkle Materie im frühen Kosmos dann? Wie die Astronomen betonen, bedeutet ihre Beobachtung nicht, dass es damals keine Dunkle Materie gab oder dass ihre Gesamtmenge im Universum deswegen niedriger ist als bislang angenommen. Aber die Verteilung der Dunklen Materie in und um Galaxien hat sich von der Frühzeit des Kosmos bis heute gewandelt.

Demnach hatte sich drei bis vier Milliarden Jahre nach dem Urknall zwar schon normale Materie in Form von Gas sehr effizient in den Galaxien angesammelt. Die Dunkle Materie in den Halos dieser Galaxien aber benötigte etliche Milliarden Jahre länger, um ebenfalls zu kondensieren. Dadurch machten sich ihre Schwerkraftwirkung und ihr Einfluss auf die Rotation von Galaxien erst später bemerkbar. (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature21685)

(ESO/ Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, 16.03.2017 – NPO)