Mit Detektivarbeit der Dunklen Materie auf der Spur

Das Institut für Theoretische Astrophysik (ITA) des Zentrums für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) wird den Spuren der geheimnisvollen Dunklen Materie mit Hilfe von zwei bedeutenden Förderprojekten bald akribisch auf der Spur sein. Eine neue Phase astronomischer Detektivarbeit wird eingeleitet.

Das Universum ist von einer unbekannten Materieform erfüllt, der sog. Dunklen Materie, die sich nur indirekt zum Beispiel durch ihre anziehende Wirkung auf Licht verrät, das uns von Sternen oder weit entfernten Galaxien erreicht. Es wird auf seinem Weg aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Aus der Art und Weise dieser Ablenkung lässt sich einiges über den Täter herausfinden, vermutlich ein unbekanntes Elementarteilchen, das sich bislang erfolgreich vor den wissenschaftlichen Fahndern versteckt.

Ein internationales Team von Astrophysikern will es nun genau wissen. Zu diesem Team gehört auch die Arbeitsgruppe um Prof. Matthias Bartelmann, Astrophysiker am Institut für Theoretische Astrophysik der Universität Heidelberg.

Diesem internationalen Team gelang es, ein sogenanntes “Multi-Cycle Treasury Programm” für das Hubble-Weltraumteleskop zu initiieren: Der Satellit soll mit seinem unübertroffen scharfen Blick während insgesamt 525 Erdumrundungen immer wieder auf einige wenige Galaxienhaufen blicken und diese dabei so genau wie nie zuvor ablichten. Diese Beobachtungen werden voraussichtlich im November dieses Jahres beginnen. Dass das Space Telescope Science Institute für dieses Projekt derart viel Beobachtungszeit mit Hubble zur Verfügung stellt, ist etwas Außergewöhnliches und spricht für die herausragende Bedeutung dieses Forschungsvorhabens.

Während sich Hubble auf die zentralen Bereiche der Galaxienhaufen konzentriert, wird das Japanische Superteleskop SUBARU, gelegen auf dem erloschenen Vulkan Mauna Kea auf Hawaii und Teil der höchsten Sternwarte der Welt, deren äußere Zonen mit seiner großen Weitwinkelkamera beobachten.

Ist diese Vorarbeit erledigt, beginnt für Matthias Bartelmann und seine Arbeitsgruppe die eigentliche und spannende Arbeit. Sein Ziel ist, die dunkle Massenverteilung der Galaxienhaufen durch Kombination des schwachen mit dem starken Gravitationslinseneffekt so genau wie nie zuvor zu bestimmen, um herauszufinden, ob die Struktur dieser Haufen mit den Erwartungen an kalte dunkle Materie übereinstimmen. Hiezu misst man die Verformung der Bilder von weit hinter den Galaxienhaufen liegenden Galaxien durch die in den Galaxienhaufen selber geballt aber unsichtbar vorhandene dunkle Materie. Teilweise sind diese Effekte eindrucksvoll als leuchtende Bögen (sogenannten “Arcs”) sichtbar, teilweise sind sie nur mit Hilfe aufwändiger Computerprogramme zu entdecken. Bartelmanns Arbeitsgruppe trägt hierzu entscheidend bei, indem sie ihre selbst entwickelten Methoden zur Rekonstruktion von Galaxienhaufen, zur automatischen Detektion von Arcs, zur Messung des schwachen Gravitationslinseneffekts und zur kosmologischen Interpretation der Ergebnisse anwendet. Außerdem soll in den Galaxienhaufen nach Supernovae gesucht werden, um die Entfernung der Haufen bestimmen zu können, einem wichtigen Parameter bei der Interpretation der Daten.

Insbesondere die Interpretation der umfangreichen Daten macht eine internationale Zusammenarbeit von Experten erforderlich. Matthias Bartelmann wird hierbei auch durch die Baden-Württemberg Stiftung unterstützt, die einen intensiven wissenschaftlichen Austausch der Heidelberger mit führenden Experten aus Tel Aviv, Bilbao und Bologna fördert. Ziel dieses Austausches ist es, die theoretischen Vorhersagen für die Häufigkeit von Arcs zu verbessern und mit Beobachtungen zu vergleichen. Das Projekt läuft über drei Jahre und wird mit insgesamt 400.000 Euro unterstützt. Von diesen Mitteln werden in Heidelberg ein weiterer Wissenschaftler und ein Doktorand eingestellt.

Die Astrophysiker erwarten, mit Hilfe der Ergebnisse die Entstehungsgeschichte kosmischer Strukturen besser zu verstehen und auf diese Weise die Eigenschaften der Dunklen Materie präziser definieren zu können. Die Fahnder nach dem unbekannten Elementarteilchen werden dankbar sein.

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