Astronomie

Der Beitrag von Komponenten wie Dunkler Materie, Sternen und Gas zur Masse einer Galaxie

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Ich mache einen Einführungskurs in Astrophysik und Astronomie. Darin wurde uns beigebracht, dass die Hauptbestandteile der Materie in einer Galaxie Halo aus dunkler Materie sind ($M_h$), Gas ($M_{gas}$) und Sterne ($M_*$). Somit kann die Masse der Galaxie als Summe dieser drei Komponenten angegeben werden. Ich möchte mehr darüber lesen, aber wenn ich das im Internet suche, bekomme ich keine passenden Ergebnisse oder sie sind sehr fortgeschritten. Ich denke, das liegt daran, dass die tatsächliche Terminologie und Nomenklatur dieser Massen anders ist. Wenn mir also jemand eine genaue Terminologie dieser Massen geben kann, wäre es hilfreich.

Außerdem wurde uns gesagt, dass die anderen beiden Massen bei der Masse des Halos der Dunklen Materie nur einen bestimmten Wertebereich haben können. Ich möchte wissen, wie wir diesen möglichen Wertebereich für eine Galaxie bestimmen können. Und wie ändern sich diese Werte, wenn die Galaxie altert? Alle Links zu Ressourcen zu den oben genannten Themen sind ebenfalls willkommen.

Bearbeiten 1: In Bezug auf meine obige Frage zur Veränderung der Masse von Galaxien im Laufe der Zeit gebe ich meine Überlegungen an. Bitte korrigiert mich, wenn ich irgendwo falsch liege.

Anfänglich besteht die Galaxie nur aus dunkler Materie und Gas. Dieser zieht sich zunächst zusammen, wird aber später segmentiert, um Sterne zu bilden. Daher sollte zunächst eine Abnahme in decrease $M_{gas}$. Aber langsam wird etwas Gas zurückgegeben, wenn Sterne sterben und auch aus der Umgebung gesammelt, daher sollte die Gasmasse konstant bleiben oder sehr langsam abnehmen. Nun zu den Sternen zunächst $M_*$ sollte durch die Schaffung neuer Sterne zunehmen. Aber nach einiger Zeit, wenn einige der frühen Sterne zu sterben beginnen, wird es gleichzeitig Geburt und Tod von Sternen geben, daher die $M_*$ sollte in dieser Zeit relativ konstant bleiben. Schließlich sinkt die Sternentstehungsrate aufgrund der Erschöpfung von $M_{gas}$ die Geburt neuer Sterne wird reduziert. Langsam werden immer mehr Sterne sterben und $M_*$ wird aufgebraucht und hinterlässt nur schwerere Elemente. Daher $M_*$ sollte in dieser Zeit abnehmen. Endlich komme ich zur Halo-Messe, ich bin mir immer noch nicht sicher. Ich denke, es sollte sich über die Lebensdauer der Galaxie nicht viel ändern, da dunkle Materie nicht mit der baryonischen Masse zu interagieren scheint. Ich weiß, dass diese Änderungen langsam sein werden, aber kann mir jemand eine ungefähre Zahl über die Langsamkeit dieser Änderungen geben?


Dies ist aus mehreren Gründen eine ziemlich komplexe Frage.

  • Erstens gibt es Galaxien in vielen Variationen, in Bezug auf so unterschiedliche Eigenschaften wie Masse, Morphologie und Umgebung.
  • Zweitens liefern unterschiedliche Beobachtungstechniken und unterschiedliche Modelle unterschiedliche Observable - man kann dasselbe Himmelsfeld mit zwei unterschiedlichen Instrumenten beobachten und daraus eine unterschiedliche Verteilung von Galaxien und deren Eigenschaften ableiten.
  • Drittens entwickeln sich Galaxien, wie Sie bereits erwähnt haben, und Sie werden nicht unbedingt das gleiche Verhältnis zwischen beispielsweise Gasmasse und Sternmasse erhalten, selbst für einen bestimmten Galaxientyp bei unterschiedlichen Rotverschiebungen.

Dennoch kann man einiges "im Allgemeinen" als wahr bezeichnen:

Stellare Masse-Gas-Masse-Beziehung

Je massereicher eine Galaxie ist (in Bezug auf die Sternmasse, $M_*$), desto effizienter ist es bei der Bildung von Sternen. Daher ist das Gas Fraktion $f_mathrm{Gas} equiv M_mathrm{Gas}/(M_mathrm{Gas}+M_*)$ nimmt ab mit $M_*$. Obwohl ein Teil des Gases in Sternen im Laufe der Zeit in das interstellare Medium (ISM) zurückgeführt wird und eine Galaxie Sterne bildet, wird es das ISM "aufbrauchen" und weiter reduzieren $f_mathrm{gas}$.

Dies ist in diesem Plot von Magdis et al. (2012) zeigt den Gasanteil als Funktion der Sternmasse heute (offene Kreise) und vor ~10 Milliarden Jahren (geschlossene Kreise):

Die in dieser Untersuchung verwendeten Galaxien sind "Hauptreihen"-Galaxien, und es gelten auch andere Auswahlkriterien.

Stellare Masse - Halo-Masse-Beziehung

Die Dunkle Materie (DM)-Komponente einer Galaxie ist viel ausgedehnter und diffuser als die Baryonen (da DM kollisionsfrei ist) und liegt eher in einem großen "Halo" um das Gas und die Sterne. Natürlich können wir DM nicht sehen, was die Messung seiner Masse erschwert. Nur in numerischen Simulationen kennen wir seine Masse genau.

Je größer die DM-Halo-Masse ($M_mathrm{h}$), desto mehr Sterne hat die Galaxie. Aber die Beziehung ist nicht eindeutig. Im Allgemeinen, $M_*$ steigt mit $M_mathrm{h}$ für massearme Galaxien schneller, während für $M_mathrm{h}gtrsim 10^{12},M_odot$ (ungefähr Milchstraßen-große Galaxien) flacht die Beziehung ab:

Dies ist im linken Feld dieses Diagramms von Behhoozi et al. (2013):

Die verschiedenen Farben entsprechen verschiedenen Epochen im Universum. Die Daten stammen aus einer kosmologischen Simulation, aber die Simulation wurde kalibriert, um verschiedenen Beobachtungen zu entsprechen.

Eine andere Möglichkeit, diese Beziehung zu zeigen, ist im rechten Feld zu sehen, wo der Sternanteil $M_*/M_mathrm{h}$ wird gesehen, bis etwa $M_mathrm{h}sim 10^{12},M_odot$, danach nimmt sie wieder ab.

Warum ist das? Im Allgemeinen wird angenommen, dass die Sternentstehung bei niedrigen Massen unterdrückt wird, weil Gas leichter aus einem flachen Gravitationspotential ausgestoßen wird, während aktive galaktische Kerne mit hoher Masse sehr effizient beim Ausblasen von Gas werden und so die Sternentstehung unterdrücken.

Wie werden Massen gemessen?

Es gibt verschiedene Techniken, um diese Massen zu messen.

Sternmassen werden anhand bekannter Beziehungen zwischen der Anzahl der Sterne und der Lichtmenge eines physikalischen Prozesses gemessen - entweder eine einzelne Emissionslinie oder ein breiteres Lichtband. Bei stark sternbildenden Galaxien, in denen es noch viele heiße O- und B-Sterne gibt, die das umgebende Gas ionisieren, können Nebellinien wie H$alpha$ oder Ly$alpha$ verwendet werden, während Sie für nicht sternbildende Galaxien z.B. die Kontinuumsstrahlung von erhitztem Staub.

Die Umrechnung hängt von der angenommenen anfänglichen Massenfunktion der Sternpopulation ab.

Ebenso können Gasmassen und Molekülmassen gemessen werden, wenn man weiß, wie viel Licht eine bestimmte Gasmenge emittiert (bei einer bestimmten Temperatur, einem bestimmten Druck,…).

Messungen von Halo-Massen werden normalerweise mit Blick auf die Breite verschiedener Spektrallinien und leitet daraus die Geschwindigkeitsdispersion ab $sigma_V$ des Gases und der Sterne. Dann ist die Gesamtmasse $M$ kann berechnet werden aus $$ sigma^2 = frac{GM}{CR}, $$ wo $G$ ist die Gravitationskonstante, $R$ ist der Radius, und $C$ ist ein geometrischer Faktor (siehe diese Antwort für eine Erklärung).


Eine umfassende Analyse mit 9 Halo-Modellen der Dunklen Materie auf der Spiralgalaxie NGC 4321

Dieser Artikel befasste sich mit der Analyse der Dunklen Materie an der Spiralgalaxie NGC 4321 (M100) unter Berücksichtigung der neun verschiedenen Profile der Dunklen Materie, die bisher in der wissenschaftlichen Literatur fehlen, dh pseudoisotherm, Burkert, NFW, Moore, Einasto, core-modified, DC14 , coreNFW und Lucky13-Profile. In diesem Artikel haben wir die Rotationskurvenanalyse der Galaxie NGC 4321 analysiert, indem wir die nichtlineare Anpassung von Sternen-, Gas- und Dunkler-Materie-Halo-Gleichungen mit ausgewählten VLA-HI-Beobachtungsdaten verwendet haben. Von den neun Profilen der dunklen Materie zeigten vier Profile der dunklen Materie (DC14-, Lucky13-, Burkert- und Moore-Profile) abnehmende Merkmale und waren daher für diese Galaxie nicht geeignet. Es wird gefolgert, dass dies hauptsächlich auf die Eigenschaften dieser Profile der dunklen Materie und auch auf die unterschiedlichen Probleme innerhalb der Anpassungen der inneren Region zurückzuführen ist. Für die verbleibenden fünf akzeptierten Profile der dunklen Materie führten wir die Analyse weiter unter Verwendung des reduzierten Chi-Quadrat-Tests durch. Vier der fünf akzeptierten Profile der Dunklen Materie liegen im Bereich von 0,40 < (chi_>^2) < 1,70, außer für das kernmodifizierte Profil. Außerdem erreichte das pseudoisotherme Profil die beste Anpassung mit (chi _>^2) am nächsten zu 1, hauptsächlich wegen seiner Linearität im Innenbereich und Ebenheit bei großen Radien.

Dies ist eine Vorschau von Abonnementinhalten, auf die Sie über Ihre Institution zugreifen können.


Dunkle Materie

Im Universum ist das, was Sie sehen, sicherlich nicht das, was Sie bekommen.

Alle Sterne, Galaxien und Nebel, die von Teleskopen gesehen werden, machen nur vier Prozent des Inhalts des Universums aus. Über die Natur des Rests sind sich die Wissenschaftler unsicher.

Ein großer Teil unseres Universums besteht aus sogenannter „dunkler Materie“, die keine nachweisbare Energie wie sichtbares Licht, Röntgenstrahlen oder Radiowellen aussendet. Er offenbart sich jedoch durch seine Schwerkraft, so wie ein Magnet unter einem Tisch seine Anwesenheit verrät, indem er Büroklammern und Stecknadeln anzieht.

Das Geheimnis der Dunklen Materie ist mehr als 70 Jahre alt. 1933 untersuchte Fritz Zwicky die Bewegungen von Galaxien im Coma-Haufen und stellte fest, dass sich die Galaxien viel zu schnell bewegten. Der Cluster fliegt auseinander, es sei denn, er ist viel massiver, als es den Anschein hat. Ein Jahr zuvor untersuchte Jan Oort die Bewegungen von Sternen in der Milchstraße und kam mit ähnlichen Argumenten zu dem Schluss, dass unsere Galaxie mehr Masse enthält, als man denkt.

In den späten 1970er Jahren gaben Vera Rubin und Kent Ford die Ergebnisse ihrer bahnbrechenden Studien zu entfernten Spiralgalaxien bekannt. Die äußeren Regionen jeder beobachteten Galaxie rotierten so schnell, dass eine Schlussfolgerung unausweichlich war: Galaxien sind in ausgedehnte "Halos" aus dunkler Materie eingebettet.

Warum impliziert eine schnelle Rotation das Vorhandensein von Dunkler Materie? Denken Sie an das Sonnensystem. Da sich der größte Teil der Masse in der Sonne befindet, die sich im Zentrum des Systems befindet, ist die Umlaufgeschwindigkeit von Merkur viel höher als die von Pluto.

Ebenso, wenn der größte Teil der Masse einer Galaxie in ihrem Kern konzentriert ist (wo das meiste Licht herkommt), würde man erwarten, dass Sterne und Gaswolken mit zunehmender Entfernung vom Kern langsamer umkreisen. Dies geschieht bis zu einer gewissen Distanz. Aber darüber hinaus bleiben die Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen und Gaswolken bei zunehmender Entfernung vom Kern fast konstant. Dies kann nur erklärt werden, wenn sich außerhalb ihrer Umlaufbahnen viel unsichtbare Masse befindet. Rubin und Ford kamen zu dem Schluss, dass das Universum etwa zehnmal mehr dunkle Materie enthalten muss als gewöhnliche "leuchtende" Materie.

Ein Teil der Dunklen Materie besteht aus gewöhnlicher oder "baryonischer" Materie (Materie bestehend aus Protonen und Neutronen), die einfach keine Energie abgibt. Zu den Kandidaten gehören schwache Gaswolken, Überreste toter Sterne oder urzeitliche Schwarze Löcher. Aber das ist nur die Spitze des Eisbergs der Dunklen Materie: Die Menge an seltsamer Dunkler Materie – neue Arten von Elementarteilchen – könnte fast zehnmal so groß sein.

Es gibt einen einfachen Grund, warum sich Astronomen so sehr für dunkle Materie interessieren. Die Masse des Universums bestimmt sein Schicksal. Das Universum begann sich beim Urknall auszudehnen und dehnt sich noch heute aus. Wenn die sichtbare Masse die gesamte Masse des Universums wäre, würde sich das Universum für immer ausdehnen. Die Schwerkraft großer Mengen dunkler Materie könnte jedoch die Expansion stoppen und dazu führen, dass sich das Universum zusammenzieht und in einem "Big Crunch" endet.

Jüngste Beobachtungen weit entfernter Sternexplosionen scheinen darauf hinzudeuten, dass der Big Crunch nicht in unserer Zukunft liegt. Tatsächlich beschleunigt sich die Expansion des Universums, angetrieben von einer mysteriösen "dunklen Energie".

MACHOs und WIMPs

Die meisten Suchen nach dunkler Materie haben sich auf den Halo unserer Galaxie konzentriert – eine Kugel um die flache Hauptscheibe, wie der blaue Halo um die randseitige Spiralgalaxie NGC 4631. Angenommen, sie beherbergt eine große Menge dunkler Materie, die aus besteht normale Atome (genannt "baryonische" dunkle Materie). Es kann in kleinen, kalten Körpern wie toten Sternen, kühlen Braunen Zwergen, Schurkenplaneten oder vielleicht sogar kleinen Schwarzen Löchern eingeschlossen sein. Diese hypothetischen Körper werden MACHOs genannt, für MAssive Compact Halo Objects.

Die Natur der "nicht-baryonischen" Dunklen Materie – Dunkle Materie, die nicht aus normalen Atomen besteht – ist mysteriöser. Es kann aus Teilchen bestehen, die selten oder nie mit normaler Materie interagieren, außer durch die Schwerkraft. Astronomen nennen diese nicht-baryonische Dunkle Materie WIMPs – schwach wechselwirkende massive Teilchen.


Dunkle Materie und Dunkle Energie (Teil 1) – Die Hauptkomponenten des Universums entdecken

Die Schwerkraft ist eine Kraft, die Objekte in Bewegung versetzt und Dinge zusammenbringt. Alles mit Masse hat Schwerkraft. Wir können die Schwerkraft spüren, wenn wir aufspringen und zu Boden gezogen werden. Planeten, Sterne, Monde und andere Objekte im Universum haben ebenfalls Schwerkraft. Deshalb umkreisen sie einander, wie zum Beispiel die Erde um die Sonne oder der Mond um die Erde, anstatt zufällig im Weltraum zu fliegen. Deshalb sehen wir jeden Tag Mond und Sonne. Gruppen von Sternen werden zusammengehalten und bilden Galaxien und sogar Galaxien werden durch die Schwerkraft zusammengehalten, die Galaxienhaufen bilden. Somit kann die Schwerkraft als universeller Klebstoff angesehen werden.


Je mehr Masse etwas hat, desto stärker ist die Schwerkraft, die es erzeugt. Die Schwerkraft der Erde ist stärker als die des Mondes, weil sie massiver ist. Unsere Körper werden also mehr auf die Erde gezogen, als wenn wir auf dem Mond wären. Deshalb können Astronauten auf dem Mond höher und leichter springen als auf der Erde. Unsere Körper üben auch Gravitationskräfte auf andere Objekte aus, aber da unsere Masse so gering ist, beeinflusst die Schwerkraft unseres Körpers Objekte in keiner Weise, die wir sehen können. Auch die Schwerkraft ändert sich mit der Entfernung zu einem Objekt. Die Anziehungskraft zwischen Erde und Mond ist stärker als die zwischen Erde und Jupiter. Dies liegt daran, dass die Erde dem Mond näher ist als dem Jupiter.

Die Schwerkraft wurde zuerst von Newton als Kraft beschrieben. Vor mehr als 300 Jahren beschrieben, wird Newtons Gravitationstheorie noch heute angewendet und sie wurde verwendet, als Wissenschaftler den Kurs zur Landung des Menschen auf dem Mond planten. Obwohl Newtons Theorie die Stärke der Schwerkraft ziemlich genau beschreibt, wusste er nicht, was die Schwerkraft verursacht oder wie sie funktioniert. Diese Konzepte blieben fast 250 Jahre lang unbekannt, bis Albert Einstein die Schwerkraft als die Krümmung des Raums beschrieb. Der Raum hat 3 Dimensionen: oben-unten, links-rechts und vorwärts-rückwärts und kann als Stoff, wie ein dehnbares Laken, visualisiert werden. Jedes Objekt mit Masse verformt den Raum, genau wie eine Murmel, die ein Grübchen auf der Oberfläche der dehnbaren Folie erzeugt. Diese Krümmung des Raumes führt dazu, dass Objekte interagieren und sich aufeinander zu bewegen, was als Schwerkraft angesehen wird, eine natürliche Folge des Einflusses einer Masse auf den Raum. Je mehr Masse etwas hat, desto stärker ist der Raum gekrümmt und desto höher ist die Schwerkraft.

Das Universum

Die Erde, der Planet, auf dem wir leben, ist nur ein relativ kleiner Planet im Sonnensystem und im riesigen Universum. In unserem Sonnensystem gibt es 8 Planeten, einschließlich der Erde, die einen großen Stern namens Sonne im Zentrum umkreisen. Unser Sonnensystem umfasst auch andere kleinere Objekte, darunter Zwergplaneten, Monde, die Planeten umkreisen, Kometen, Asteroiden usw. Außerhalb des Sonnensystems gibt es ähnliche Systeme, sogenannte Planetensysteme, die ebenfalls aus Planeten bestehen, die einen Stern umkreisen. Die Schwerkraft hält all diese Sterne und Planeten in etwas zusammen, das wir Galaxie nennen. Wir leben in einer Galaxie namens Milchstraße. Es wird geschätzt, dass es etwa 200 Milliarden Sterne gibt, also ist es ein sehr großer Ort. Außerhalb unserer riesigen Milchstraße gibt es etwa 100 bis 200 Milliarden weitere Galaxien wie unsere Milchstraße. Diese Galaxien sind enorm weit von uns entfernt, sogar mit dem stärksten Teleskop können wir einzelne Sterne dieser fernen Galaxien nicht sehen. Alle Sterne, die wir mit bloßem Auge an unserem Nachthimmel sehen können, befinden sich nur innerhalb unserer Milchstraße. Alle Galaxien, Sterne, Planeten, von Materie über Energie bis hin zur Zeit selbst, bilden das, was wir das Universum nennen. Alle sichtbaren Dinge, die wir in unserem Universum beobachten können, nennen wir normale Materie.

Die uns bekannte normale Materie macht nur weniger als 5% des Universums aus. Obwohl dies schockierend erscheint, ist es nicht so unmöglich. Denken Sie darüber nach, aus welchen Elementen die Erde besteht. Alles, was uns hier auf der Erde tagtäglich begegnet, besteht aus Elementen wie Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und schweren Elementen wie Eisen und Silizium. Da wir sie in solcher Fülle sehen, könnten wir leicht den Schluss ziehen, dass der Rest des Universums der Erde gleich sein muss, viele schwere Elemente, ein bisschen Wasserstoff und kein Helium. Diese Elemente machen jedoch nur 1% der Sonne aus. Die Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff, etwas Helium und sonst nicht viel. Viele Sterne, Gase und andere beobachtbare Objekte im Weltraum bestehen ebenfalls aus den gleichen Elementen wie die Sonne. So wie einige Materialien, die üblicherweise auf der Erde gefunden werden, einen Bruchteil der Zusammensetzung der Sonne ausmachen, sind die Materialien, aus denen die Sonne und ähnliche Weltraumobjekte bestehen, nicht unbedingt repräsentativ für die gesamte Materie im Universum. Ist es nicht möglich, dass alles, was wir auf der Erde und im Weltraum kennen, nur ein winziger Bruchteil dessen ist, was wirklich im Universum existiert? Astronomen haben Beweise für die Existenz anderer Komponenten gefunden, der Hauptkomponenten des Universums, die dunkle Materie und dunkle Energie genannt werden.

Dunkle Materie

Die Schwerkraft ermöglichte es Wissenschaftlern, dunkle Materie zu entdecken. 1933 versuchte der Schweizer Astronom Fritz Zwicky, die Gesamtmasse eines Galaxienhaufens zu messen, indem er die Masse jeder einzelnen sichtbaren Galaxie im Haufen summierte. Er fand heraus, dass ihre Gesamtmasse nicht ausreichte, um die beobachtete Gravitation zu erzeugen, die die Galaxien zu einem Haufen zusammenhält. Allein mit der Gravitation, die von all ihrer sichtbaren Materie erzeugt wird, würden sich die Galaxien nicht leicht, wenn überhaupt, zusammenballen. Daraus schloss Zwicky, dass es in und um die Galaxien etwas Unsichtbares geben muss. Diese Materie fügt die zusätzliche Masse hinzu, um diese Schwerkraft zu erzeugen, die stark genug ist, um einen Galaxienhaufen zu bilden. Zwicky nannte die unsichtbare Masse Dunkle Materie.

Im Laufe der Zeit sind weitere Beweise für dunkle Materie aufgetaucht. Fotografien von Galaxien zeigten, dass der größte Teil ihres Lichts, also die meisten ihrer Sterne, in der Nähe des Zentrums konzentriert war. Der größte Teil der Masse einer Galaxie konzentriert sich also in ihrem Zentrum, was bedeutet, dass die Gravitation im Zentrum einer Galaxie stärker ist als am Rand. Daher wird erwartet, dass sich die Sterne in der Nähe des Zentrums der Galaxie schneller bewegen als die weiter entfernten. Die Messungen zeigten jedoch, dass die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne überall gleich war, unabhängig von ihrer Entfernung vom Zentrum. Die Schlussfolgerung ist, dass es unsichtbare Materie geben muss, die sich in einer Galaxie ausbreitet, so dass Sterne, die weit vom Zentrum entfernt sind, die Anziehungskraft nicht nur des zentralen Materials, sondern aller anderen Materie zwischen ihnen spüren. Die zusätzliche Schwerkraft der Dunklen Materie kann dazu führen, dass sie sich ungefähr auf die gleiche Geschwindigkeit wie die Sterne in der Nähe des Zentrums beschleunigen.

Obwohl es seit einiger Zeit entdeckt wurde, ist es immer noch unbekannt, was dunkle Materie wirklich ist, da sie unsichtbar ist und nicht mit anderer normaler Materie interagiert, die wir kennen, z. Licht, Magnete, Strom. Wissenschaftler haben verschiedene Ideen über die Teilchen vorgeschlagen, die dunkle Materie erzeugen, und Experimente entworfen, um diese Ideen zu testen. Die Suche nach der Definition der Dunklen Materie war jedoch ein Prozess der Eliminierung. Experimente haben nur mögliche Kandidaten ausgeschlossen und einige führende Hypothesen hinterlassen, aber noch die genauen Teilchen der Dunklen Materie gefunden. Das einzige, was wir über Dunkle Materie wissen, ist, dass sie die Existenz von Galaxien ermöglicht. Dunkle Materie macht 25 % des gesamten Universums aus, fünfmal mehr als die normale Materie, die wir kennen.

Dunkle Energie

Etwas noch mysteriöseres, dunkle Energie genannt, macht neben normaler Materie und dunkler Materie 70% des Universums aus. Normale und dunkle Materie erzeugen Schwerkraft, die die Dinge zusammenhält. Dunkle Energie ist der Schwerkraft völlig entgegengesetzt, sie lässt Dinge auseinanderfliegen. Um dunkle Energie zu verstehen, denken Sie darüber nach, was passiert, wenn Sie einen Ball in die Luft werfen. Es geht nach oben und verlangsamt sich aufgrund der Schwerkraft allmählich. Schließlich stoppt der Ball mitten in der Luft und fällt zurück auf den Boden. Stellen Sie sich nun vor, ein einmal hochgeworfener Ball fliegt immer weiter nach oben, anstatt wieder vom Boden angezogen zu werden. Dieses Ereignis scheint unmöglich zu sein, aber das ist die Eigenschaft der dunklen Energie.
In den 1990er Jahren wurde die dunkle Energie entdeckt, als Astronomen einen solchen seltsamen Effekt im Universum beobachteten. Wissenschaftler wissen, dass sich das Universum seit seiner Entstehung, dem Urknall, kontinuierlich ausgedehnt hat, d. h. Galaxien entfernen sich voneinander. Sie beobachteten auch, dass die Expansionsgeschwindigkeit zugenommen hat, was unerwartet ist, denn wie bei der geworfenen Kugel sollte sich die Expansion verlangsamen, wenn die Schwerkraft auf alle Galaxien einwirkt. Oder das Universum würde aufhören zu expandieren und schließlich kollabieren, wenn die Schwerkraft gewinnt und die Expansion stoppt. Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass die beschleunigte Expansion nicht durch dunkle Materie und normale Materie verursacht werden kann, die die Schwerkraft für das Universum erzeugen, sondern durch eine Form mysteriöser Energie. Da es unsichtbar ist, nannten sie es dunkle Energie. Denken Sie daran, dass das Universum immer dunkle Energie expandiert hat, diese Expansion nur beschleunigt. Durch die Messung, wie schnell sich das Universum ausdehnt, was ein kombinierter Effekt ist, bei dem dunkle Materie Galaxien zusammenzieht und dunkle Energie sie auseinander drückt, können Astronomen das Verhältnis zwischen dunkler Energie und dunkler Materie bestimmen. Wie bei der Dunklen Materie haben Wissenschaftler viele mögliche Erklärungen, aber keine konkrete Antwort auf die Natur der Dunklen Energie. Es bleibt eines der größten Geheimnisse des Universums. Wenn wir eines Tages dunkle Energie verstehen, wird dies unser bisheriges Wissen und unsere Denkweise über das Universum verändern.

Einführung: (11 Minuten)

  1. Beginnen Sie mit dem Video „Das bekannte Universum“ in der begleitenden Slideshow.
  2. Organisieren Sie zusammen mit den Schülern die Strukturen im Universum in einem Flussdiagramm von der Erde bis zum Sonnensystem, anderen Sternen und Planeten außerhalb des Sonnensystems, unserer Milchstraße, anderen Galaxien, die Galaxienhaufen bilden können. Insgesamt existieren diese Strukturen in einem riesigen Universum. Verwenden Sie Hintergrundinformationen, um diese Aufwärmaktivität zu unterstützen.
    Wenn die Diashow in Schritt 1 nicht verwendet werden kann, verwenden Sie Hintergrundinformationen (mit dem bereitgestellten Universumsbild), um die Schüler durch Schritt 2 zu führen.
  3. Entfachen Sie eine Diskussion, wenn es möglich ist, dass diese Strukturen nur ein winziger Bruchteil des Universums sind. Beginnen Sie damit, die Hintergrundinformationen zu verwenden, um die Denkweise zu vermitteln, dass das, was wir gewöhnlich auf der Erde sehen und von dem wir im Weltraum wissen, möglicherweise nicht für alles repräsentativ ist.
  4. Sagen Sie den Schülern, dass sie bei dieser Aktivität die Rolle von Astronomen spielen werden, um Beweise dafür zu finden, ob das Universum nur aus allem besteht, was wir sehen können, oder etwas anderes existiert. Vorhandenes Wissen über das Thema und die Beobachtung von etwas Unerwartetem helfen meist, ein Rätsel zu lösen.
  5. Besprechen Sie mit den Schülern, dass sie wissen, dass Sterne und Planeten wunderschön in Galaxien organisiert sind. Und sie werden aufgrund der Schwerkraft an Ort und Stelle gehalten.

Nach der Einführungsaktivität kann die Klasse in kleine Gruppen aufgeteilt werden, um die Aktivität durchzuführen. In Teil 1 und 2 können die Schüler mithilfe des Aktivitätsleitfadens selbstständig erkunden. Geben Sie den Schülern zwischen jedem Teil eine kurze Einführung und Erklärung zur Aktivität. Für Teil 3 ist es am besten, wenn der Lehrer die Schüler anleitet, erklärt und durch die Schritte führt.

Teil 1: Was ist Schwerkraft? (7min)

  1. Verwenden Sie die bereitgestellten Hintergrundinformationen, um das Konzept der Schwerkraft als Anziehungskraft zu erklären und dass diese Anziehung durch die Krümmung des Raums erklärt werden kann.
  2. Decken Sie eine große runde Schüssel mit einem dehnbaren Blatt ab. Stellen Sie die Oberfläche des Blattes als kleinen Raumabschnitt vor und weisen Sie darauf hin, dass dies nur ein Raum in 2 Dimensionen ist, aber in Wirklichkeit ist der Raum 3 Dimensionen.
  3. Legen Sie eine schwere Murmel auf das Blatt. Bitten Sie die Schüler, zu beobachten, dass der Raum (die Platte) aufgrund der Masse der Murmel krümmt. Rollen Sie dann eine leichtere Murmel auf das Blatt, so dass sich die helle Murmel auf die schwerere zubewegt und sie umkreist.

Abbildung 1: Schwerkraft – Stretchfolie + Murmeln

Teil 2: Die Entdeckung der Dunklen Materie (15 min)

  1. Verwenden Sie die Waschschüssel/Stretchlaken-Aufstellung aus Aufgabe 1 und legen Sie eine Reihe von Murmeln auf das Laken. Beschriften Sie dies als Set A. Bereiten Sie im Voraus ein weiteres Setup (mit der Bezeichnung Set B) vor, das aus einer Waschschüssel und einem dehnbaren Laken besteht, das ein extra schweres Gewicht hat, das mit einer Schnur in der Mitte des Lakens gebunden ist. Befestigen Sie das Laken an der Waschschüssel, sodass das zusätzliche Gewicht versteckt und darunter aufgehängt wird. Decken Sie die Vertiefung, die durch das hängende zusätzliche Gewicht entsteht, ab, indem Sie Murmeln auf das Blatt legen (Gesamtgewicht und Anzahl der Murmeln sind gleich wie bei Set A).
    Hinweis: Bereiten Sie im Voraus separate Murmelsäcke für die beiden Setups vor, die Sie in den Unterricht mitbringen.

    Abbildung 2: Experiment zur Dunklen Materie, Set A



Abbildung 3: Experiment zur Dunklen Materie Set B


Abbildung 4: Satz dunkler Materie B


Abbildung 4: Experiment zur Dunklen Materie Set A (links) vs. Set B (rechts)

Teil 3: Dunkle Energie (15min)

    Verwenden Sie das Begleitmaterial (Diashow oder Diagramm), um darauf hinzuweisen, dass Wissenschaftler berechnet haben, dass die gesamte sichtbare Materie (im Aufwärmvideo zu sehen) nur 5% des Universums ausmacht. Dunkle Materie macht nur 25 % des Universums aus. Die restlichen 70 % sind etwas ganz anderes als normale Materie und dunkle Materie. Es wird dunkle Energie genannt und ist wie dunkle Materie auch unsichtbar.

Sagen Sie den Schülern, dass dunkle Energie durch eine unerwartete Beobachtung entdeckt wurde, die sich von den Tatsachen unterscheidet, die wir bereits wussten und erwartet hatten. Präsentierende Schüler
Fakt 1: Das Universum hat sich seit seiner Entstehung kontinuierlich erweitert. Es ist wie ein expandierender Ballon.

Blasen Sie einen Ballon mit einigen Punkten leicht auf. Sagen Sie den Schülern, dass dies unser Universum bei der Geburt ist, alles ist kompakt (die Punkte liegen eng beieinander). Blasen Sie den Ballon weiter auf und die Punkte auf dem Ballon bewegen sich weit voneinander weg. Dies ist wie unser Universum, es hat sich ausgedehnt und die Punkte sind wie die Galaxien, die sich in unserem expandierenden Universum auseinander bewegen.

Abbildung 5: Dunkelenergie-Experimentballons

Teil 6: Zusammenfassung (3 Min.)

  1. Schluß daraus, dass die normale Materie, die wir kennen, nur ein winziger Bruchteil der Hauptkomponenten unseres Universums ist, die unsichtbar sind. Es ist jedoch immer noch nicht bekannt, was dunkle Materie und dunkle Energie wirklich sind. Wissenschaftler arbeiten und diskutieren immer noch an verschiedenen Theorien, die sie haben.
  2. Gehen Sie mit den Schülern die gesamte Aktivität durch, um zu zeigen, wie sie wie ein Wissenschaftler gearbeitet haben. In der Wissenschaft zu arbeiten bedeutet, dass es immer unerwartete Ergebnisse geben wird, die sorgfältig aufgezeichnet werden müssen, da sie möglicherweise auf etwas Neues hinweisen können. Um die Mysterien zu lösen, bedarf es Beobachtung, Schlussfolgerungen, Hypothesen auf der Grundlage von Beobachtungen und verfügbarem Wissen und das Finden von Beweisen, um die eigene Idee zu unterstützen.
  3. Weisen Sie auf die fließende Natur der Wissenschaft hin, da sich unsere Sicht und unser Verständnis ständig mit Änderungen oder Aktualisierungen des aktuellen Wissens, die durch Beobachtungen, Messungen und Theorien gemacht wurden, weiterentwickeln.

Die Verwendung von Stretchfolie und Murmeln zur Demonstration der Schwerkraft ist inspiriert von der früheren Astroedu-Aktivität „Modell eines schwarzen Lochs“ (http://astroedu.iau.org/en/activities/1304/model-of-a-black-hole /).
Für weitere Aktivitäten zum Finden von Beweisen für Dunkle Materie und um zu verstehen, wie viel Wissenschaftler derzeit über die Entstehung von Dunkler Materie und Dunkler Energie wissen, fahren Sie mit der zweiten Sitzung fort, indem Sie die Aktivität Teil 2 – Das Wesen der Dunklen Materie und der Dunklen Energie verstehen.

In dieser Aktivität spielen die Schüler die Rolle von Wissenschaftlern, um die mögliche Existenz anderer Komponenten des Universums neben der normalen Materie zu erforschen. Da sie verstehen, wie dunkle Materie und dunkle Energie entdeckt werden, erkennen sie auch, dass sich das wissenschaftliche Verständnis im Laufe der Zeit ändern kann, wenn neue Entdeckungen gemacht werden, die unser Vorwissen ergänzen oder modifizieren. Sie erkennen auch, dass das, was sie sehen können, nicht alles im Universum ist, es gibt immer noch viele Geheimnisse. Diese Aktivität hilft den Schülern, wissenschaftliches Denken und Methoden der wissenschaftlichen Untersuchung zu entwickeln.


Es ist dunkel da draußen.

"Dunkle Materie" bezieht sich auf Materie unbekannter Natur, von der viele Astronomen und Kosmologen glauben, dass sie den Großteil der Masse im Universum ausmachen muss. Seine Anwesenheit wird durch die Gravitationseffekte auf Objekte, die wir sehen können, offenbart. Nach dem gegenwärtigen Verständnis der Gravitation weist das Verhalten der sichtbaren Materie darauf hin, dass es viel mehr Materie geben sollte, als wir erkennen können &mdash und daher viel mehr Masse, die einen Gravitationseinfluss ausübt &mdash in Objekten im Weltraum, wie Sternen in Galaxien, oder Galaxien in Haufen. Die Haufen bewegen sich mit Geschwindigkeiten, die zu hoch sind, um nur den sichtbaren Galaxien zugeordnet zu werden.

Wenn wir die Gesetze der Gravitation auf die Materie anwenden würden, die wir sehen können, würden Galaxien (und Galaxienhaufen) auseinander fliegen und die sich schnell bewegenden äußeren Komponenten verlieren, weil nicht genug Masse (und damit Gravitation) vorhanden ist, um sie zu halten an Ort und Stelle. Wenn also der sichtbaren Materie mehr Masse hinzugefügt wird, funktionieren die Gleichungen, Objekte bleiben in ihrer Bahn, und alles macht mathematisch einen Sinn. Ergebnisse der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) zeigen, dass etwa 1/4 der Masse des Universums aus dunkler Materie besteht. Aber was ist es wirklich?

Es gibt viele Theorien darüber, was Dunkle Materie umfasst. Es ist unwahrscheinlich, dass es sich um eine einzelne Substanz handelt, sondern um eine Vielzahl von Substanzen, die zum Gesamtbestand beitragen, der die Dinge zusammenhält. Einige Aspekte sind ziemlich sicher: Die Objekte würden, wenn überhaupt, nicht viel sichtbares Licht abgeben und können daher Schwarze Löcher, Braune Zwerge, Neutronensterne, Rote Zwerge und Planeten umfassen ein sehr großes Volumen, wie eine Wolke. Dazu könnten Teilchen wie Axionen, Neutrinos und Neutralinos sowie andere exotische und alltägliche Teilchen gehören. In diesem Puzzle fehlen jedoch noch viele Teile, und die Wissenschaftler suchen weiterhin nach weiteren Teilen.

Während die einzelnen Komponenten schwer zu finden sind, lässt sich der Einfluss der Dunklen Materie leicht erkennen und vergleichsweise einfach messen. Astronomen messen Hochtemperaturgas in diesen Galaxienhaufen. Dieses Gas hat eine zu hohe Temperatur, um ohne zusätzliche Masse an den Haufen gebunden zu bleiben, verborgen vor den Augen. Für Galaxien und Gruppen haben die Röntgendaten oft sehr ausgedehnte Halos aus dunkler Materie gezeigt, die weit über den Radius hinausgehen, in dem man Sternenlicht oder Galaxien sieht. Die gesamte abgeleitete Masse der Dunklen Materie ist oft ein Vielfaches der allein in den "sichtbaren" Galaxien. Darüber hinaus dient ein Phänomen namens Gravitationslinseneffekt als visuell offensichtlicherer Weg, um zu zeigen, wie die Masse einer Galaxie (und damit die Schwerkraft) die Lichtstrahlen, die von einem entfernten Objekt zur Erde wandern, biegen kann.


Dunkler Stern (dunkle Materie)

EIN dunkler Stern ist eine Art von Stern, der möglicherweise schon früh im Universum existierte, bevor konventionelle Sterne sich bilden und gedeihen konnten. Die Sterne würden hauptsächlich aus normaler Materie bestehen, wie moderne Sterne, aber eine hohe Konzentration an neutraler dunkler Materie in ihnen würde durch Vernichtungsreaktionen zwischen den Teilchen der dunklen Materie Wärme erzeugen. Diese Hitze würde verhindern, dass solche Sterne in die relativ kompakten und dichten Größen moderner Sterne kollabieren und damit die Kernfusion zwischen den „normalen“ Materieatomen verhindern. [1]

Nach diesem Modell wird ein dunkler Stern als riesige Wolke aus molekularem Wasserstoff und Helium mit einem Durchmesser zwischen 4 und 2.000 astronomischen Einheiten vorhergesagt, deren Oberflächentemperatur und Leuchtkraft niedrig genug ist, dass die emittierte Strahlung für das bloße Auge unsichtbar wäre. [2]

In the unlikely event that dark stars have endured to the modern era, they could be detectable by their emissions of gamma rays, neutrinos, and antimatter and would be associated with clouds of cold molecular hydrogen gas that normally would not harbor such energetic, extreme, and rare particles. [3] [2]


Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde

The chief property of dark matter is that it is "dark", i.e. that it emits no light. Not visible, not x-ray, not infrared. So it is not large clouds of hydrogen gas, since we can usually detect such clouds in the infrared or radio. In addition, dark matter must interact with visible matter gravitationally. So the dark matter must be massive enough to cause the gravitational effects that we see in galaxies and clusters of galaxies. Large clouds of hydrogen gas don't have enough mass to do what the dark matter does.

The two main categories of objects that scientists consider as possibilities for dark matter include MACHOs, and WIMPs. These are acronyms which help us to remember what they represent. Listed below are some of the pros and cons for the likelihood that they might be a component of dark matter.

MACHOs (MAssive Compact Halo Objects): MACHOs are objects ranging in size from small stars to super massive black holes. MACHOS are made of ordinary matter (like protons, neutrons and electrons). They may be black holes, neutron stars, or brown dwarfs.

Neutron Stars and Black Holes are the final result of a supernova of a massive star. They are both compact objects resulting from the supernovae of very massive stars. Neutron stars are 1.4 to 3 times the mass of the sun. Black holes are greater than 3 times the mass of the sun. Because a supernova usually leaves behind a remnant cloud of gas, these objects must travel far from the remnant to be "hidden."

Pros:Neutron stars are very massive, and if they are isolated, they both can be dark.
Cons:Because they result from supernovae, they are not necessarily common objects. As a result of a supernova, a release of a massive amount of energy and heavy elements should occur. However, there is no such evidence that they occur in sufficient numbers in the halo of galaxies.

Brown Dwarfs have a mass that is less than eight percent of the mass of the Sun, resulting in a mass too small to produce the nuclear reactions that make stars shine.

Astronomers have been detecting MACHOs using their gravitational effects on the light from distant objects. In formulating his theory of gravity, Einstein discovered that the gravitational attraction of a massive object can bend the path of a light ray, much like a lens does. So when a massive object passes in front of a distant object (e.g. a star or another galaxy), the light from the distant object is "focused" and the object appears brighter for a short time. Astronomers search for MACHOs (usually brown dwarfs) in the halo of our galaxy by monitoring the brightness of stars near the center of our galaxy and of stars in the Large Magellanic Cloud.

The MACHO Project, one of the groups using this "gravitational lens" technique, observed about 15 lensing events toward the LMC over a span of 6 years of observations. They set a limit of 20% as the contribution to the dark matter in our Galaxy due to objects with mass less than 0.5 that of the sun.

Pros:Astronomers have observed objects that are either brown dwarfs or large planets around other stars using the properties of gravitational lenses.
Cons:While they have been observed, astronomers have found no evidence of a large enough population of brown dwarfs that would account for all the dark matter in our Galaxy.

WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): WIMPs are the subatomic particles which are not made up of ordinary matter. They are "weakly interacting" because they can pass through ordinary matter without any effects. They are "massive" in the sense of having mass (whether they are light or heavy depends on the particle). The prime candidates include neutrinos, axions, and neutralinos.

Neutrinos were first "invented" by physicists in the early 20th century to help make particle physics interactions work properly. They were later discovered, and physicists and astronomers had a good idea how many neutrinos there are in the universe. But they were thought to be without mass. However, in 1998 one type of neutrino was discovered to have a mass, albeit very small. This mass is too small for the neutrino to contribute significantly to the dark matter.

Axions are particles which have been proposed to explain the absence of an electrical dipole moment for the neutron. They thus serve a purpose for both particle physics and for astronomy. Although axions may not have much mass, they would have been produced abundantly in the Big Bang. Current searches for axions include laboratory experiments, and searches in the halo of our Galaxy and in the Sun.

Neutralinos are members of another set of particles which has been proposed as part of a physics theory known as supersymmetry. This theory is one that attempts to unify all the known forces in physics. Neutralinos are massive particles (they may be 30x to 5000x the mass of the proton), but they are the lightest of the electrically neutral supersymmetric particles. Astronomers and physicists are developing ways of detecting the neutralino either underground or searching the universe for signs of their interactions.

Pros:Theoretically, there is the possibility that very massive subatomic particles, created in the right amounts, and with the right properties in the first moments of time after the Big Bang, are the dark matter of the universe. These particles are also important to physicist who seek to understand the nature of sub-atomic physics.
Cons:The neutrino does not have enough mass to be a major component of Dark Matter. Observations have so far not detected axions or neutralinos.

There are other factors which help scientists determine the mix between MACHOs and WIMPs as components of the dark matter. Recent results by the WMAP satellite show that our universe is made up of only 4% ordinary matter. This seems to exclude a large component of MACHOs. About 23% of our universe is dark matter. This favors the dark matter being made up mostly of some type of WIMP. However, the evolution of structure in the universe indicates that the dark matter must not be fast moving, since fast moving particles prevent the clumping of matter in the universe. So while neutrinos may make up part of the dark matter, they are not a major component. Particles such as the axion and neutralino appear to have the appropriate properties to be dark matter. However, they have yet to be detected.


Milky Way’s Dark Matter Halo is Slowing Down Galactic Bar’s Spin, Astronomers Say

According to new research by astronomers from the University of Oxford and University College London, the spin of the bar of our Milky Way Galaxy — made up of billions of stars and trillions of solar masses — has slowed by more than 24% since its formation galaxy models have long predicted such a slowdown by the postulated dark halo, but this is the first time it has been measured.

An artist’s conception of the Milky Way Galaxy. Image credit: Pablo Carlos Budassi / CC BY-SA 4.0.

“Astrophysicists have long suspected that the spinning bar at the center of our Galaxy is slowing down, but we have found the first evidence of this happening,” said Dr. Ralph Schoenrich, an astronomer in the Mullard Space Science Laboratory at University College London.

Dr. Schoenrich and his colleague, University of Oxford Ph.D. student Rimpei Chiba, analyzed data from ESA’s Gaia satellite on a large group of stars, the Hercules stream, which are in resonance with and gravitationally trapped by the Milky Way’s bar.

If the bar’s spin slows down, the stars in this stream would be expected to move further out in the Galaxy, keeping their orbital period matched to that of the bar’s spin.

The astronomers found that these stars carry a chemical fingerprint — they are richer in heavier elements (called metals in astronomy), proving that they have traveled away from the Galactic center, where stars and star-forming gas are about 10 times as rich in metals compared to the outer Galaxy.

Using these data, they inferred that the bar had slowed down its spin by at least 24% since it first formed.

“The counterweight slowing this spin must be dark matter,” Dr. Schoenrich said.

“Until now, we have only been able to infer dark matter by mapping the gravitational potential of galaxies and subtracting the contribution from visible matter.”

“Our research provides a new type of measurement of dark matter — not of its gravitational energy, but of its inertial mass (the dynamical response), which slows the bar’s spin.”

“Our finding offers a fascinating perspective for constraining the nature of dark matter, as different models will change this inertial pull on the galactic bar,” Chiba added.

“The finding also poses a major problem for alternative gravity theories — as they lack dark matter in the halo, they predict no, or significantly too little slowing of the bar.”

The results were published in the Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Rimpei Chiba & Ralph Schönrich. 2021. Tree-ring structure of Galactic bar resonance. MNRAS 505 (2): 2412-2426 doi: 10.1093/mnras/stab1094


Dark matter is slowing the spin of the Milky Way’s galactic bar

The spin of the Milky Way’s galactic bar, which is made up of billions of clustered stars, has slowed by about a quarter since its formation, according to a new study by UCL and University of Oxford researchers.

For 30 years, astrophysicists have predicted such a slowdown, but this is the first time it has been measured.

The researchers say it gives a new type of insight into the nature of dark matter, which acts like a counterweight slowing the spin.

In the study, published in the Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society, researchers analysed Gaia space telescope observations of a large group of stars, the Hercules stream, which are in resonance with the bar – that is, they revolve around the galaxy at the same rate as the bar’s spin.

These stars are gravitationally trapped by the spinning bar. The same phenomenon occurs with Jupiter's Trojan and Greek asteroids, which orbit Jupiter's Lagrange points (ahead and behind Jupiter) . If the bar’s spin slows down, these stars would be expected to move further out in the galaxy, keeping their orbit al period matched to that of the bar’s spin.

The researchers found that the stars in the stream carry a chemical fingerprint – they are richer in heavier elements (called metals in astronomy), proving that they have travelled away from the galactic centre, where stars and star-forming gas are about 10 times as rich in metals compared to the outer galaxy .

Using this data, the team inferred that the bar – made up of billions of stars and trillions of solar masses – had slowed down its spin by at least 24% since it first formed.

Co-author Dr Ralph Schoenrich (UCL Mullard Space Science Laboratory) said: “Astrophysicists have long suspected that the spinning bar at the centre of our galaxy is slowing down, but we have found the first evidence of this happening.

“The counterweight slowing this spin must be dark matter. Until now, we have only been able to infer dark matter by mapping the gravitational potential of galaxies and subtracting the contribution from visible matter.

“Our research provides a new type of measurement of dark matter – not of its gravitational energy, but of its inertial mass (the dynamical response), which slows the bar’s spin.”

Co-author and PhD student Rimpei Chiba, of the University of Oxford, said: "Our finding offers a fascinating perspective for constraining the nature of dark matter, as different models will change this inertial pull on the galactic bar.

“Our finding also poses a major problem for alternative gravity theories – as they lack dark matter in the halo, they predict no, or significantly too little slowing of the bar.”

The Milky Way, like other galaxies, is thought to be embedded in a ‘halo’ of dark matter that extends well beyond its visible edge.

Dark matter is invisible and its nature is unknown, but its existence is inferred from galaxies behaving as if they were shrouded in significantly more mass than we can see . There is thought to be about five times as much dark matter in the Universe as ordinary, visible matter.

Alternative gravity theories such as modified Newtonian dynamics reject the idea of dark matter, instead seeking to explain discrepancies by tweaking Einstein’s theory of general relativity.

The Milky Way is a barred spiral galaxy, with a thick bar of stars in the middle and spiral arms extending through the disc outside the bar . The bar rotates in the same direction as the galaxy.

The research received support from the Royal Society, the Takenaka Scholarship Foundation, and the DiRAC supercomputing facility of the Science and Technology Facilities Council (STFC) .


Where Was Dark Matter in the Early Universe?

In the modern universe, dark matter dominates the motions of stars in the outskirts of the Milky Way and other disk-shaped galaxies. But new research suggests that wasn’t the case 10 billion years ago. Instead, galaxies were dominated by the “normal” matter that makes up gas, dust, and stars—everything we can see and touch.

Dark matter produces no detectable energy, but reveals its presence by exerting a gravitational pull on visible matter. Leading theories say it consists of subatomic particles created in the Big Bang, although efforts to find the particles using detectors in underground laboratories so far have been unsuccessful.

Astronomers discovered dark matter in part by measuring its influence on the motions of stars in spiral galaxies. If a galaxy consists only of the matter that we can see, then stars at the edge of its disk should move more slowly than those in the densely packed center, just as planets farther from the Sun move slower than those closer to the Sun.

Instead, stars on the rims of galaxies in the present-day universe move just as fast as those near the center. That means that some unseen matter is tugging at the stars to make them move faster: dark matter. Astronomers calculate that dark matter outweighs the normal matter in the universe by about five to one.

But a new study has found that when the universe was only about four billion years old, when the rate of galaxy formation reached its peak, galaxies were dominated by normal matter. The study was led by Reinhard Genzel of the University of California, Berkeley, and the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Germany and published in the March 16 issue of Natur.

Researchers measured the rotation of six disk-shaped galaxies with the Very Large Telescope in Chile. The galaxies are all of similar mass to the Milky Way. The measurements showed that stars in the inner regions of the galaxies moved much faster than those at the edges, suggesting that the role of dark matter was “modest to negligible,” according to the Natur paper.

Several other recent studies have found similar results. One averaged the observations of about 100 galaxies, while another modeled the motions of 240 galaxies. A third, led by team member Hannah Übler but not yet published, “also shows that the contribution of dark matter to the dynamical mass on the galaxy scale is larger for galaxies that are [closer],” Übler said in an email.

The findings don’t mean that dark matter didn’t exist in that earlier epoch. Normal matter was just more densely packed in the younger, smaller early universe, the researchers say.

“Our early, star-forming galaxies are very gas rich and compact,” Genzel and Übler said in the email. “Gas. can migrate to the centers of galaxies through loss of angular momentum, creating dense galactic cores and disks.” With the normal matter squeezed together more tightly, it exerted a stronger gravitational influence on stars at a galaxy’s edge than it does today.

To more fully understand the role of dark matter in the earlier universe, the team plans to study less massive galaxies, “which are the progenitors of galaxies like our Milky Way,” Genzel and Übler said. “Will they have a different contribution from dark matter to their dynamics, as it seems to be the case for the Milky Way today? This is what we want to find out next.”