M4 Galaktische Dynamik

Thema

Das zentrale Element dieses Modells ist die Galaxie, verstanden als rotierendes System, dessen Masse größtenteils unsichtbar ist.

Die Rotationskurve der Galaxienscheibe bleibt in großen Radien nahezu flach, anstatt abzufallen, wie es der Fall wäre, wenn nur die sichtbare Masse der Scheibe die Rotation aufrechterhielte. Diese Flachheit ist der direkteste kinematische Beweis dafür, dass ein Halo aus dunkler Materie die gesamte Galaxie umhüllt.

Die Sternenscheibe der Galaxie weist ihrerseits ein Dichteprofil auf, das exponentiell mit dem Radius abnimmt, während das Dichteprofil des dunklen Halos selbst, wie von Vielteilchensimulationen vorhergesagt, in der Nähe des Galaxienzentrums deutlich gleichmäßiger abfällt als weiter entfernt, wo dieser Abfall viel ausgeprägter ist: zwei klar unterschiedliche Bereiche innerhalb desselben Halos.

Das Virialtheorem, nun angewendet auf elliptische Galaxien und Kugelsternhaufen anstelle einer einzelnen Scheibe, erlaubt es uns, die Gesamtmasse jedes dieser Systeme anhand der beobachteten Geschwindigkeitsdispersion seiner Sterne abzuschätzen.

Diese Dunkle Materie repräsentiert, bezogen auf das gesamte Universum, etwa ein Viertel seines gesamten Energieinhalts und dominiert die Masse von Galaxien und Galaxienhaufen mit weit über 80 Prozent. Die Hinweise auf ihre Existenz sind vielfältig und unabhängig: die flachen Rotationskurven von Galaxien wie der zu Beginn dieser Arbeit vorgestellten, die Geschwindigkeitsdispersion innerhalb von Haufen, die Lichtablenkung durch Gravitationslinsen – die die gesamte vorhandene Masse, einschließlich der unsichtbaren, sichtbar macht –, die beobachtete Differenz zwischen Gas und Gesamtmasse nach der Kollision zweier Galaxienhaufen sowie die Fluktuationen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung selbst.

Das am häufigsten diskutierte Teilchen zur Erklärung Dunkler Materie, ein massereiches Teilchen mit schwacher Wechselwirkung, besitzt einen Vernichtungsquerschnitt, der verblüffend genau dem Wert entspricht, der sich aus der heute beobachteten Häufigkeit Dunkler Materie ergibt – ein Zufall, der oft als das Wunder dieses Teilchens bezeichnet wird. Schwache Gravitationslinsen sind derzeit das wichtigste Instrument, um die Verteilung Dunkler Materie im kosmologischen Maßstab zu kartieren. Ausgehend von der Galaxie, mit der diese Arbeit beginnt, und über die flache Rotationskurve, den dunklen Halo und das Virialtheorem bis hin zur kosmologischen Kartierung am Ende dieser Arbeit zeigt die Galaxiendynamik, dass dieselbe unsichtbare Masse nach derselben Logik sowohl die Rotation einer einzelnen Galaxie als auch die Struktur des gesamten Universums aufrechterhält.

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