Die Dunkle Materie ist im Universum nahezu allgegenwärtig, sie macht darin rund 85 Prozent aller Materie aus. Doch viele ihrer Merkmale sind noch ein Rätsel, darunter auch aus welchen Teilchen sie besteht. Klar scheint nur, dass diese unsichtbare, kaum wechselwirkende Materieform die Entwicklung des Kosmos geprägt hat. Gängiger Theorie nach sorgte die Anziehungskraft der Dunklen Materie nach dem Urknall dafür, dass sich das Rohmaterial der ersten Sterne, Galaxien und Großstrukturen an bestimmten Stellen sammelte. Dadurch bildete der Schwerkrafteinfluss der Dunklen Materie das Grundgerüst für alle großräumigen Strukturen im Universum – von den riesigen Galaxienhaufen und Filamenten des kosmischen Netzwerks bis zur Form und Bewegung der kleinsten Galaxien. Trotz dieser enormen Bedeutung ist die genaue Verteilung der Dunklen Materie bisher nur in Teilen bekannt. Denn wo sich Dunkle Materie befindet und wie viel, lässt sich nur indirekt ermitteln.
255 Stunden Beobachtungszeit und fast 800.000 Galaxien
Die gängige Methode, um Dunkle Materie zu kartieren, ist der schwache Gravitationslinseneffekt. Dabei nutzen Astronomen die Tatsache, dass die Masse der unsichtbaren Dunklen Materie die Raumzeit krümmt. Wenn Licht beispielsweise von fernen Galaxien diese Zonen passiert, erzeugt diese Krümmung subtile Verzerrungen. Indem Astronomen diese Verzerrungen im Licht ferner Galaxien messen, können sie Rückschlüsse auf die Masse und Verteilung der Dunklen Materie im dazwischenliegenden Raum ziehen. “Allerdings waren die bisherigen Kartierungen auf Basis des schwachen Gravitationslinseneffekts durch ihre Auflösung oder Sensitivität begrenzt, so dass die feinere Dunkle-Materie-Strukturen, die dem kosmischen Netzwerk zugrunde liegen, unsichtbar bleiben”, erklären Diana Scognamiglio vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Kalifornien und ihre Kollegen. Um Abhilfe zu schaffen, haben sie das hohe Auflösungsvermögen des James-Webb-Teleskops genutzt, um die Dunkle Materie in einem Himmelsausschnitt genauer als je zuvor zu kartieren.
Für ihre Kartierung richteten die Astronomen die Nahinfrarotkamera (NIRCam) des Weltraumtelekops 255 Stunden lang auf das sogenannte COSMOS-Feld, einen rund 2,5 Vollmonde großen Ausschnitt im Sternbild Sextant. “Dieses am Himmelsäquator gelegene Feld ist von beiden Erdhalbkugeln aus sichtbar. Jahrzehnte der Beobachtungen durch nahezu alle großen Teleskope auf der Erde und im Weltraum haben uns eine umfassende Sicht dieses Felds in allen Wellenlängen geliefert”, erklärt das Team. Das ermöglicht einen guten Vergleich zwischen der Verteilung normaler Materie und Dunkler Materie. Die neuen Aufnahmen des Webb-Teleskops erfassten rund 800.000 Galaxien im COCMOS-Feld, darunter viele zuvor noch nicht gesehene. Daten des im mittleren Infrarot arbeitenden MIRI-Instruments am Webb-Teleskop halfen dabei, die jeweiligen Entfernungen zu bestimmen. Am Licht dieser Galaxien konnten die Astronomen dann die subtilen Effekte der zwischen Teleskop und Galaxien liegenden Dunklen Materie ermitteln.
Gerüst des Universums sichtbar gemacht
Das Ergebnis ist eine Karte, die die Verteilung und Masse der Dunklen Materie mit nie zuvor erreichter Auflösung zeigt. Dadurch, dass das James-Webb-Teleskop rund zehnmal mehr ferne Galaxien im COSMOS-Feld abbildet als erdbasierte Teleskope und gut zweimal mehr als das Hubble-Weltraumteleskop, kann es die Verteilung der Dunklen Materie zwischen Teleskop und Galaxien mit einer Auflösung von rund einer Bogenminute zeigen. “Dies ist die größte je mit dem Webb-Teleskop erstellte Dunkle-Materie-Karte und sie ist doppelt so scharf wie alle früheren Kartierungen der Dunklen Materie durch andere Observatorien”, sagt Scognamiglio. “Vorher haben wir nur ein verschwommenes Bild der Dunklen Materie gesehen. Jetzt sehen wir dank der unglaublichen Auflösung des Webb-Teleskops das unsichtbare Gerüst des Universums in erstaunlichem Detail.” Die neue Dunkle-Materie-Karte zeigt neben großen Ansammlungen Dunkler Materie beispielsweise in Galaxienhaufen auch das Netzwerk der Brücken aus Dunkler Materie, die diese Ansammlungen miteinander verbinden. “Unsere Technik erlaubt es uns, gleichzeitig auch kleine Strukturen zu identifizieren wie die Halos von massearmen oder weit entfernten Galaxiengruppen oder die Filamente, die sie verbinden”, schreiben die Astronomen.
Scognamiglio und ihre Kollegen verglichen die neue Dunkle-Materie-Karte mit der Verteilung von normaler Materie und Röntgenquellen in diesem Himmelsausschnitt. Dies bestätigte den engen räumlichen Zusammenhang von Dunkler und normaler Materie. “Unsere Karte zeigt, wie diese unsichtbare Komponente des Universums die sichtbare Materie strukturiert hat – und so die Entstehung von Galaxien, Sternen und letztlich auch des Lebens ermöglicht hat”, sagt Co-Autor Gavin Leroy von der Durham University in England. “Die Karte enthüllt damit die verborgene, aber essenzielle Rolle der Dunklen Materie, des wahren Architekten des Universums.” Noch umfasst die neue Dunkle-Materie-Karte nur einen kleinen Himmelsausschnitt. Deutlich mehr sollen aber die Kartierungen mithilfe des europäischen Euclid-Teleskops und des künftigen Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskops der NASA zeigen.
Quelle: Diana Scognamiglio (Jet Propulsion Laboratory, Pasadena) et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-025-02763-9
