Walter Orlov
NGC4526

Seit Vera Rubin und Kent Ford im Jahre 1970 einen Artikel über die Rotation des Andromeda-Nebels veröffentlichten, werden bis heute heftige Diskussionen geführt, da die offensichtliche Ursache für die flachen Rotationskurven der Spiralgalaxien immernoch im Dunkeln bleibt.

Was die Forscher üblicherweise für Unordnung halten und durch eine Gerade auszugleichen versuchen, hat meine Neugierde erweckt: Eigentlich sind die Rotationskurven der Spiralgalxien nicht nur flach, sondern enthalten erkennbare Oszillationen. Auch wenn deren Amplitude sehr klein erscheint, sind sie mit sehr starken Schwankungen der Massendichte verbunden. Als anschauliches Beispiel betrachten wir die Rotationskurve von Spiralgalaxie NGC2998 (Quelle).

NGC2998 und Rotationskurve

Uns interessiert die Massendichte in den Bereichen AB und BC. Für die Abschätzung nehmen wir an, dass die galaktische Scheibe genauso wie in unserer Galaxie etwa 1kpc (1kpc ~ 30 Millionen Milliarden Kilometer) dick ist. Die gemessenen Geschwindigkeiten in Punkten A, B und C erlauben die eingeschlossenen Massen zu bestimmen:

Formel

Daraus ergeben sich die dazugehörigen Dichten:

Formel

Der Unterschied beträgt eine ganze Größenordnung!

Wodurch kann dieser Unterschied nun bedingt werden? Auf dem Foto weist die Galaxie eine gut ausgeprägte Spiralstruktur auf, die beim genaueren Betrachten noch weit außerhalb der Mitte zu erkennen ist. Außerdem entspricht der Abstand zwischen aufeinander kommenden Aufwicklungen der Armen etwa dem Abstand zwischen Minimums oder Maximums der Rotationskurve. Es liegt also die Vermutung nah, dass die Ursache für die Oszillationen der Rotationskurve und mit ihnen verbundene gewaltige Dichteschwankungen in den Spiralarmen zu finden ist. Dabei muss man bedenken, dass so gut wie jede Rotationskurve oszilliert (Quelle), d.h. das Phänomen ist vom allgemeinen Charakter.

Rotationskurven der Galaxien

Und unsere Milchstraße ist keine Ausnahme. Zusammengefügte Zeichnung und Rotationskurve weisen auch auf ähnliche Variationen bei radialer Verteilung sichtbarer Materie und Geschwindigkeiten der Sterne hin.

Rotationskurve der Milchstrasse

Zuerst kommt der rasche Aufstieg der Geschwindigkeit im Zentrum der Galaxie, offensichtlich,  wegen großer Massendichte. Danach folgt der Abfall der Geschwindigkeit, da die Balken der Verdickung (Bulge) immer dünner werden. An innerem Ring findet zweiter Aufstieg der Geschwindigkeit statt. Aufspaltung zu den Armen führt vermutlich zum Abfall durchschnittlicher Massendichte und Geschwindigkeit der Sterne etwa im Sonnenabstand. Dieser Bereich kann durch folgende oszillierende Funktion der Massendichte für 1kpc-dicke galaxische Scheibe approximiert werden:

Formel

Oszillierende Massendichte der Milchstrasse

Wie das Diagramm uns zeigt, befinden wir uns in fast leerem Raum und wohl deswegen können die Dunkle Materie nicht sehen: Sie ist weit weit von uns entfernt und zwar in den galaktischen Armen verborgen.

Die Massendichte in Sonnenumgebung beträgt etwa 7⋅10−21 kg/m3. Auf dem Wert gestützt, bekommen wir für die Entfernung 5kpc vom Zentrum der Galaxie ca. 7.2⋅10−20 kg/m3. Die Massendichte der Sterne in dieser Region ist aber mehr als fünfmal kleiner (Link). Zum Rand der Galaxie wächst die gesamte Massendichte wieder und erreicht bei etwa 10kpc 4.8⋅10−20 kg/m3 , was schon zwanzigmal (!) größer ist als die lokale Massendichte der Sternkomponente.

Wie können wir solch einen gewaltigen Unterschied erklären?

Dunkle Materie soll also in den Spiralarmen konzentriert sein. Dies widerspricht direkt der Annahme, dass sie aus unfangbaren Teilchen besteht, die die Galaxien wie Halos umgeben. Dagegen erinnert dies stark an Asteroidengürtel im Sonnensystem oder Ringe um Planeten Saturn und Jupiter. Deshalb kann es bei Dunkler Materie um Gesteinsbrocken wie Asteroiden, Planeten und um Wasser der Kometen und Schneeballen handeln. Sie sind klein, um aus großer Entfernung gesehen zu werden, aber prinzipiell, d.h. in Unmengen, können sie die Hauptmasse unserer Galaxie und anderer Galaxien ausmachen.

Diese Idee ist eigentlich nicht neu, aber sie wird verworfen, weil es viel zu große Mengen von Planeten und Kometen existieren sollen. Zwangsläufig gäbe es ständige Kollisionen, die Bruchstücke flogen im Raum herum und der Himmel wurde verdeckt und verdunkelt, was in unserer Nähe nicht der Fall ist...

Und wir wissen jetzt warum – weil sich unser Sonnensystem ausgerechnet in der Zone mit sehr niedriger Massendichte befindet. Hier gibt es nun sehr wenig Planeten und Kometen, die im Raum zwischen den Sternen herum fliegen. Und das ist auch gut so, sonst wäre das Leben auf der Erde durch ständige Meteoriteneinschläge längst zerstört.

Dafür gibt es noch ein weiterer Beweis: Ein Astronementeam die Bewegung von ca. 400 Sternen in Sonnenumgebung +/- 4 kpc (~ +/- 13000 Lichtjahre) untersucht.

"Die Menge an Masse, die wir errechnet haben, stimmt sehr gut mit dem überein, was wir in der Region rund um die Sonne sehen - Sterne, Gas und Staub", erläutert Teamleiter Christian Moni Bidin vom Departamento de Astronomía der Universidad de Concepción in Chile. "Das lässt aber keinen Raum für anderes Material, also Dunkle Materie, die wir dort erwartet hatten. Unsere Berechnungen zeigen, dass sie eigentlich eindeutig messbar hätte sein müssen. Aber sie ist einfach nicht da gewesen." Keine Dunkelmaterie in Umgebung der Sonne. Astronews

ESO, Milchstrasse

 

Überhaupt wurde schon 1969 die Spiralstruktur als Ursache für die Oszillationen in den Rotationskurven in Betracht gezogen:

"In the past, rises (or bumps) in galactic rotation curves have been interpreted as due to the presence of spiral arms [17]. Spiral arms may in fact cause some of the rises in rotation curves." 
[17] C. Yuan, Astrophys. J. 158 (1969) 871; W.B. Burton, W.W. Shane, in: W. Becker, G.I. Kontopoulos (Eds.), Proceedings of the 38th IAU Symposium the Spiral Structure of our Galaxy, Reidel, Dordrecht, p. 397; W.W. Shane, Astron. Astrophys. 16 (1972) 118.   (Link)

Die Rotation von Galaxien ist nicht die einzige Beobachtung, die die Existenz von Dunkler Materie belegen. Da sind noch die Galaxiehaufen und heiße Gasen, die irgendwie zusammengehalten werden sollen… Alles im Dunkeln. Doch genau oszillierende Rotationskurven geben uns einen ausschlaggebenden Hinweis, worum es sich bei Dunkler Materie eigentlich handeln soll. Und dieser Hinweis ist so offensichtlich, dass man einfach nicht wegschauen darf.

Außerdem ist das verborgene Anteil der Materie bei manchen Galaxien sogar kaum zu übersehen. Nur wenn man absichtlich weg schaut, sieht man es nicht. Es sind zum Beispiel M64 ("Schwarzaugen"), NGC891, NGC4526 (ganz oben rechts) und andere. Sie sind von dunklen scheibenförmigen Wolken umgeben. Man behauptet, es sei nur der Staub (und Gas). Aber dies können genauso gut Planeten, Kometen und kleineres Gestein (Geröll) sein.

Chemisch sind Staub und Gestein sogar dasselbe. Feine Staubpartikel können wegen ihrer kleinen Masse aber relativ größer Oberfläche vom Sternenlicht leicht erwärmt werden und durch Strahlung im Infrarotbereich, deren Wellenlänge etwa ihrer Größe entspricht, sogar in fernen Galaxien erkannt werden. Gestein kann allerdings auf diese Weise nicht entdeckt werden, denn die Steine einfach zu massiv sind und können sich nur durch eigene Wärmestrahlung (näherungsweise, schwarzen Körpers) bemerkbar machen. Dadurch werden sie auch quasi unsichtbar: Durch Wärmeaustausch passt der Gestein sich wie ein kosmischer Chamäleon zu kalter Umgebung genau an und wird zu perfektem "Versteck" für Dunkle Materie. 

Ein paar Hinweise auf Gestein-Komponente der Staubwolken gibt es doch. Wie gesagt kann sich das Gestein durch eigene Wärmestrahlung bemerkbar machen. Nah den Sternen kann es deshalb so warm werden, dass es die Infrarotstrahlung zu emittieren beginnt, die ihrerseits mithilfe der Infrarotspektroskopie erfasst werden kann. Und in der Tat beobachtet man in den Galaxiespektren die Infrarotbuckel (sogenanntes Infrarotexzess). 

Ferner wird eine faserartige Struktur der Staubwolken in der Milchstraße erkannt:

Faserartiges Gewebe von Staub

"Ein neues Bild des ESA Satelliten Planck zeigt riesige Fäden aus kaltem Staub, die sich durch unsere Galaxie ziehen..." Planck blickt auf ein Gewebe aus kaltem Staub. ESA
 

Faserartiges Gewebe im Orionnebel

In den Wolken des Orion...

Die Bildung von Fäden kann man etwa von einem zähflüssigen Stoff erwarten, wenn dieser auseinander gezogen wird, aber nicht von Anhäufungen feiner Partikeln, die wegen ihrer kleinen Massen nicht mal merklich gravitativ miteinander wechselwirken können. Deshalb kann man hinter Bildung dieser Strukturen massive Gesteinsbrocken vermuten, die durch Schwerkraft aneinander ziehen. Die Drehung galaxischer Scheibe und Geschwindigkeitsunterschiede können dann dazu führen, dass faserartiges Gewebemuster zum Schein kommt.

In dieser Hinsicht sind auch die Beobachtung von NGC6943 interessant. Folgendes Bild zeigt links die Galaxie in optischem Bereich und rechts deren Radiostrahlung von atomarem Wasserstoff und alles von gleicher Skalierung:

NGC6946, optisch und 21cm

Quelle

Man kann ja wieder sagen: Es sei dies nur das Gas, das sich so weit nach Außen ausbreitet. Aber die Struktur, die wir sehen, ist gleiche wie die von den Spiralarmen. Das Gas sammelt sich offensichtlich um gewöhnliche schwere Materie aus Gestein, wodurch seine Verteilung dem gleichen Muster folgt.

Da astronomische Messinstrumente immer verfeinert werden, zeigen sich die Astronomen immer öfter überrascht, weil sie sich über das stolpern, was laut anerkannter Theorien, sprich der Theorie Primordialer Nukleosynthese, gar nicht existieren darf:

"Die bislang tiefste und flächendeckendste Aufnahme seines Zentrums gelang ihnen mit dem HAWK-I-Infrarotinstrument am Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile. Das Ergebnis ist nicht nur ein Bild von beeindruckender Schönheit, sondern auch eine echte Überraschung. Denn die Aufnahme enthüllte, dass es im Orionnebel eine unerwartet große Zahl an Objekten mit niedriger Masse gibt. Die Forscher fanden zehnmal so viele lichtschwache Braune Zwerge und isolierte Objekte planetarer Masse als bisher angenommen."  Überraschung im Orionnebel. Bild der Wissenschaft

Entgegen kommt das Versagen an anderer Seite:

"Sowohl das Team des LUX-Detektors in South Dakota als auch die Wissenschaftler des chinesischen Pendants PandaX-II sind bei ihren jüngsten Messungen leer ausgegangen... Auch das Fermi-Weltraumteleskop, das den Himmel nach Quellen von Gammastrahlung absucht, hat keine Spur der mutmaßlichen Dunkle-Materie-Teilchen entdeckt... Mittlerweile bedrohen die Messdaten der Physiker einige der populärsten Wimp-Modelle." DUNKLE MATERIE: Wieder keine Wimps. SPEKTRUM

Und die Erwartungen für einen Erfolg in nächster Zukunft sind nicht gerade viel versprechend:

"...geplant ist ein noch größerer Detektor gleicher Bauart namens LUX-ZEPLIN mit 7.000 Kilogramm also etwa 20 Mal mehr Xenon, und der will finanziert sein. Aber statt 100 erwarteter Lichtblitze nur null gemessene ist schon verdammt wenig, und nach Adam Riese ist 20 mal null auch null." An dieser Frage scheitern selbst die besten Wissenschaftler. N24

In der Tat kann man die Version mit den Teilchen Dunkler Materie schon jetzt begraben. Auch wenn mit den Tonnen von Xenon am Ende irgendwas detektiert wird, können es aber keine Teilchen Dunkler Materie mehr sein, denn wegen geringer Anzahl werden neuartige Teilchen fehlende Masse nicht mehr nachfüllen können. 

Die Oszillationen in den Rotationskurven sind doch nicht zu übersehen, also ganz offiziell: https://arxiv.org/abs/1604.01216.

Milchstraße mit zwei Ringen

Die Wissenschaftler habe im Rahmen des Modells Dunkler Materie zusätzlich zum HALO noch zwei Ringe aus Dunkler Materie zugefügt... Warum nun nicht gleich zwei Ringe aus normaler Materie? Die Ringe aus Gestein und Eis sind doch sehr verbreitete und gewöhnliche kosmische Formation. Manchmal wundern mich die Astronomen sehr, als ob es für sie hauptsächlich darum ginge, nur weiter stur zu machen. 

 

Abstract in English: The Hidden Galaxy (PPT)

Approximation of the mass density by oscillating function shows a minimum in the solar neighborhood

 


 

Folgende Meldung ist auch vom Interesse:

1200 Galaxien entdeckt

Meiner Meinung nach, ist dies die Aufnahme von realer Dunklen Materie: Gesteinshaufen unserer Galaxie. Durch Zerfallsprozesse, zum Beispiel von Uran, sind sie geringfügig warm und geben ihre Wärmestrahlung im Radiobereich ab.

Warum können sie mit fernsten Galaxien verwechselt werden? – Sie bewegen um Galaxiezentrum mit uns zusammen, deshalb sind sie für Observatorien auf der Erde immer beinah unter gleichem Winkel zu finden. Sie verhalten sich also wie weit entfernte Galaxien. Einzige Möglichkeit wäre, die Entfernungen mithilfe der jährlichen Parallaxe zu messen. Vielleicht kommt das noch, aber die Obergrenze von 100pc kann sich als viel zu klein erweisen. 

 

 

 

 

 

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