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Abb. 1:
Projezierte Dichte der Dunklen Materie in einer simulierten Galaxie mit der
Größe der Milchstraße. Myriaden von Klumpen aus Dunkler Materie kreisen in dem
Halo der Galaxie. Ihre dichten Zentren strahlen energiereiche Gammastrahlung ab,
die durch gegenseitige Vernichtung von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.
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Abb. 2:
Eine Himmelskarte des schwachen Glimmens der Gammastrahlung, die durch
Vernichtung von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird. Aufgrund der Nähe zur
Sonne erscheint das galaktische Zentrum als hellste und räumlich ausgedehnteste
Quelle. Dadurch ist es leichter zu entdecken, als die kleinen Klumpen aus
Dunkler Materie, die über den Himmel verteilt sind. Sollte solch ein kleiner
Klumpen entdeckt werden, enthält er eventuell keinerlei Sterne.
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Das Fermi-Teleskop, das schon seit einigen Monaten den Himmel nach
Gammastrahlen durchsucht, könnte in den nächsten Jahren ein
schwaches Glimmen der Dunklen Materie aufspüren. Während
deren Gravitationswirkung bereits vor über 75 Jahren entdeckt
wurde, bleibt die Dunkle Materie bis heute für alle Teleskope
unsichtbar, obwohl sie rund 85 Prozent aller kosmischen Materie
ausmacht. Unter den richtigen Bedingungen könnte diese neue Art
von Elementarteilchen genügend Gammastrahlen produzieren, um vom
Fermi-Teleskop entdeckt werden zu können. Darüber hinaus
soll der Teilchenbeschleuniger "Large Hadron Collider" in der Nähe von
Genf Belege dafür finden.
Aber wohin soll das Fermi-Teleskop ausgerichtet werden, um diese
Gammastrahlen-Signatur der Dunklen Materie zu sehen? Astrophysiker aus
Deutschland, Großbritannien, Kanada und den Niederlanden, die
sich zum "Virgo-Konsortium" zusammengeschlossen haben, simulierten
jetzt mithilfe eines extrem leistungsfähigen Supercomputers am
Leibniz-Rechenzentrum in Garching die Entstehung der Strukturen Dunkler
Materie, die eine Galaxie wie unsere Milchstraße
umgeben. Solche Halos aus Dunkler Materie sind mehr als eine Billion
Mal so massiv wie unsere Sonne und stellen die Grundeinheiten der
kosmischen Struktur dar.
In den Simulationen des Virgo-Teams entstand der Halo der Milchstraße
durch eine Reihe gewaltiger Kollisionen viel kleinerer Klumpen, die
aus dem Urknall hervorgingen und dann verschmolzen.
Die meisten davon wurden
auseinandergerissen, aber einige haben den Prozess überstanden.
Die größten davon beherbergen heute bekannte Satellitengalaxien wie
die Magellanschen Wolken oder die Sagittarius-Zwerggalaxie. Andere
Klumpen waren zu klein, als dass Sterne aus ihnen hätten entstehen
können. Astronomen vermuten aber, dass sie sich immer noch im Halo unserer
Galaxie verbergen, wenngleich bis heute kein Teleskop sie entdeckt
hat.
Gammastrahlen werden in Regionen mit einer hohen Dichte von Dunkler
Materie erzeugt, wenn die Teilchen zusammenstoßen und zerstört
werden, wobei Strahlung ausgestoßen wird. Viele Kosmologen gehen
bisher davon aus, dass Fermi nach Gammastrahlen aus den Trabanten der
Milchstraße suchen solle, da deren Zentren sehr dicht sind.
Die Simulationen des Virgo-Teams zeigen aber, dass dies nicht der
beste Ort für die Suche ist. Die sorgfältigen Berechnungen
der Wissenschaftler belegen, dass das bei weitem am leichtesten
entdeckbare Signal aus Regionen der Milchstraße kommen sollte, die
zwar innerhalb der Position der Sonne, aber weit vom galaktischen
Zentrum entfernt liegen. Genau ins Zentrum zu blicken, wäre eine
schlechte Strategie für das Fermi-Teleskop, weil die Gefahr besteht,
dass das Signal durch Gammastrahlen von anderen Quellen, wie
beispielsweise den Überbleibseln von Supernovae oder den Gaswolken, in
denen sich Sterne bilden, gestört wird. Stattdessen empfehlen die
Wissenschaftlter, 10 bis 30 Winkelgrade außerhalb des Zentrums zu
suchen. Die Dunkle Materie sollte dort in einem sich gleichmäßig
verändernden und charakteristischen Muster leuchten.
Wenn das Fermi-Teleskop tatsächlich die vorausberechnete Emission
aus dem gleichmäßigen inneren Halo der Milchstraße entdeckt,
dann könnte es, wenn wir Glück haben, auch Gammastrahlen aus
kleinen (und ansonsten unsichtbaren) Klumpen von Dunkler Materie
sehen, die zufällig besonders nah an der Sonne liegen. Diese
Klumpen werden deutlich lichtschwächer sein als der Haupthalo,
könnten aber dennoch entdeckbar sein. Die bekannten
Satellitengalaxien könnten ebenfalls in Gammastrahlen sichtbar
sein, obwohl ihre Entdeckung aufgrund ihres größeren Abstandes
sogar noch schwieriger ist.
Die bisher vergebliche Suche nach Dunkler Materie beherrscht die
Kosmologie schon seit vielen Jahrzehnten. Möglicherweise ist jetzt
ihr Ende in Sicht.
Die Fertigstellung der größten Simulation benötigte insgesamt
3,5 Millionen Rechnerstunden. Volker Springel war für die
Überwachung der Rechnerkalkulation verantwortlich und sagt:
"Mitunter glaubte ich, sie wird nie fertig."
"Diese Berechnungen erlauben uns endlich, zu sehen, wie die Verteilung
der Dunklen Materie nahe der Sonne aussehen sollte, wo wir vielleicht
eine Chance haben, sie zu entdecken", erklärt MPA-Direktor Simon
White. Carlos Frenk, Direktor des Institute for Computational
Cosmology an der Durham University, sagt: "Das Rätsel um die Dunkle
Materie zu lösen, wäre eine der größten wissenschaftlichen
Leistungen unserer Zeit. Es ist bemerkenswert, dass sogar theoretische
Fortschritte auf einem so wichtigen Gebiet jetzt in internationaler
Zusammenarbeit erzielt werden."
An der Arbeit des Virgo-Konsortiums waren Wissenschaftler des
Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Deutschland, des Institute
for Computational Cosmology an der Durham University in
Großbritannien, der University of Victoria in Kanada und der
Universität Groningen in den Niederlanden beteiligt. Sie wurde
finanziert durch die Max-Planck-Gesellschaft, das
Leibniz-Rechenzentrum, den Royal Society Wolfson Research Merit Award
und den Science and Technology Facilities Council.
Die Simulationen wurden auf drei der größten Supercomputer
in Europa durchgeführt:
- Dem HLRB-II Supercomputer des Leibniz-Rechenzentrums München
(LRZ), auf dem die Hauptsimulation ausgeführt wurde
- Der Cosmology Machine am Institute for Computational Cosmology,
Durham University
- Dem STELLA Supercomputer des LOFAR Projekts an der Universität
Groningen
Originalveröffentlichung:
V. Springel, S. D. M. White, C. S. Frenk, J. F. Navarro, A. Jenkins,
M. Vogelsberger, J. Wang, A. Ludlow & A. Helmi:
Prospects for detecting supersymmetric dark matter in the Galactic halo
Nature, 6. November 2008
Weitere Bilder und Filme finden Sie unter
http://www.mpa-garching.mpg.de/aquarius/
Weitere Information erhalten Sie von:
Dr. Volker Springel
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Tel.: +49 89 30000-2238
email: swhitempa-garching.mpg.de
Prof. Simon White
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Tel.: +49 89 30000-2211
email: swhitempa-garching.mpg.de
Prof. Carlos Frenk
Durham University, UK
Tel.: +44 7808 726080
email: c.s.frenkdurham.ac.uk
Prof. Amina Helmi
University of Groningen
Tel.: +31 50 3634045
email: ahelmiastro.rug.nl
Prof. Julio Navaro
University of Victoria, Canada
Tel.: +1 250 721 6644
email: jfnuvic.ca
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