Aufnahme des Bullet-Clusters im Röntgen-Licht durch das Weltraumteleskop Chandra. Man sieht nur die Strahlung des heißen Gases; rechts die konusförmige Stoßwelle im Gas des kleineren Teilclusters, der den größeren vor 100 Millionen Jahren durchstoßen hat. Quelle: NASA, gemeinfrei
Aufnahme des Bullet-Clusters im Röntgen-Licht durch das Weltraumteleskop Chandra. Man sieht nur die Strahlung des heißen Gases; rechts die konusförmige Stoßwelle im Gas des kleineren Teilclusters, der den größeren vor 100 Millionen Jahren durchstoßen hat. Quelle: NASA, gemeinfrei

Frage von bruno:

Oft taucht das “Bullet-Cluster” auf, wenn es um dunkle Materie geht.
Was steckt dahinter?

Der Bullet-Cluster (auch 1E 0657-558) ist ein Galaxienhaufen, also eine Ansammlung von Galaxien, die sich unter ihrer gemeinsamen Schwerkraft umeinander bewegen. D.h., genauer gesagt sind es zwei Galaxienhaufen, wobei ein kleinerer, das eigentliche Geschoss (engl. bullet), den größeren mit hoher Geschwindigkeit (4500 km/s) vor ca. 100 Millionen Jahren durchstoßen hat. Die Abstände zwischen den Galaxien sind groß und die einzelnen Galaxien flogen im wesentlichen unbeeindruckt aneinander vorbei. Aber die beiden Galaxienhaufen enthalten große Mengen an intergalaktischem Gas, und dieses kollidierte miteinander, wurde abgebremst und dadurch enorm aufgeheizt, auf 70 bzw. 100 Millionen K für die beiden Teilhaufen, so dass es Röntgenstrahlung aussendet und damit seine Existenz und Menge sichtbar bzw. messbar macht.

In dieser Arbeit[1] wurde nun untersucht, wie sich die Masse auf die beiden Subcluster und das Gas verteilt. Die Masse des Gases lässt sich auf 10% Genauigkeit aus der Intensität und Wellenlänge der vom Chandra-Weltraumteleskop aufgenommenen Röntgenstrahlung ableiten und beträgt in Radien von 100 Kiloparsec (326.000 LJ) um die hellsten Galaxien in den beiden Haufen 5,5±0,6 und 2,7±0,6 Billionen Sonnenmassen, und in entsprechenden Radien um das heißeste Gas in den beiden Subclustern 6,6±0,7 und 5,8±0,6 Billionen Sonnenmassen. In den entsprechenden Radien findet sich, ausgehend von einem Masse-Leuchtkraft-Verhältnis von 2 Sonnenmassen auf eine Sonnenleuchtkraft (vgl. Artikel zum Dokkum-Paper) an im normalen Sternenlicht leuchtender Materie 0,54±0,08 und 0,58±0,09 Billionen Sonnenmassen um die hellsten Galaxien, und 0,23±0,02 bzw. 0,12±0,01 Billionen Sonnenmassen um die Zentren des heißen Gases. Das im Röntgenlicht strahlende Gas (erste 4 Zahlen) überwiegt also mengenmäßig überall bei weitem die leuchtende Materie (letzte 4 Zahlen), selbst wenn man von einem höheren Masse-Leuchtkraft-Verhältnis als 2 ausgeht (der mögliche Bereich liegt zwischen 0,5 und 3).

Nun haben die Autoren anhand der Verzerrung der Hintergrundgalaxien (Gravitationslinseneffekt) eine Karte ermittelt, welche die Verteilung der gravitativen Masse gegenüber derjenigen des heißen Gases darstellt, und die sieht so aus:

Verteilung der Masse bestimmt aufgrund von Graviationslinseverzerrungen des Hintergrunds überlagert der Verteilung der Galaxien (links) und des Gases (rechts). Die grünen Linien sind Linien gleicher Verzerrung = Schwerkraft, die weißen im Zentrum sind Fehlerlinien für die Massenzentren (68,3%, 95,5% und 99,7%).

Verteilung der gravitativen Masse aufgrund von Gravitationslinsenverzerrungen des Hintergrunds überlagert der Verteilung der Galaxien (links) und des Gases (rechts). Die grünen Linien sind Linien gleicher Verzerrung = Schwerkraft, die weißen im Zentrum sind Fehlerlinien für die Massenzentren (68,3%, 95,5% und 99,7%). Bild: [1]

Links sieht man die Galaxien und die Linien gleicher Schwerkraft (Verzerrung des Hintergrunds) und rechts die gleichen Linien überlagert mit der Verteilung des leuchtenden Gases. Man sieht deutlich (die gemessene Signifikanz ist 8σ!), dass das abgebremste Gas mehr in der Mitte der beiden Galaxienhaufen konzentriert ist, während die Galaxienhaufen selbst mitsamt ihren Schwerpunkten weitergeflogen sind und mit den Orten der gravitativen Masse zusammenfallen.

Das heißt wiederum, dass der Großteil der gravitativen Masse sich nicht dort befindet, wo das Gas ist, sondern in der Gegend der Haufenzentren, wo auch die Sterne sind. Aber im Gas steckt der Großteil der leuchtenden, baryonischen Masse (also die aus Protonen und Neutronen bestehende, “gewöhnliche” Materie) – wesentlich mehr als in den Galaxien, welche die beiden Subcluster ausmachen. Die Gravitation geht also offenbar größtenteils nicht von der baryonischen Materie aus.

Dies werteten die Autoren als direkten Beleg für die Existenz Dunkler Materie, denn von dieser nimmt man an, dass sie nicht mit sich selbst oder baryonischem Gas wechselwirkt und abgebremst wird, sondern sich wie die Sterne und Galaxien durchdringt und der Bewegung der Galaxien folgt (und sie zusammenhält). So konnten Gas und Dunkle Materie räumlich getrennt werden – das Gas kollidierte und verlangsamte sich, die Dunkle Materie und die Galaxien flogen unbeirrt weiter.

Der Bullet-Cluster ist nicht der einzige solche Fall, sondern es gibt eine ganze Reihe bekannter kollidierender Galaxienhaufen mit ähnlicher Separation von leuchtendem Gas und schwerer Masse.

Referenz:

[1] Douglas Clowe et al., “A direct empirical proof of the existence of dark matter“, The Astrophysical Journal Letters, Volume 648, Number 2; arXiv:astro-ph/0608407v1, 22.04.2006

Kommentare (18)

  1. #1 HF(de)
    11. April 2018

    Artikel-Quickies find ich gut. Hab einiges gelernt dabei. :-)

  2. #2 Oliver Müller
    Sydney
    12. April 2018

    Und hier die Gegendarstellung von Sabine Hossenfelder
    http://backreaction.blogspot.com.au/2017/01/the-bullet-cluster-as-evidence-against.html
    in der der Bullet Cluster als Evidenz gegen Dunkle Materie betrachtet wird. Vielleicht wäre dieser Link für/gegen den Bias noch hilfreich im obigen Artikel.
    Auch interessant ist der Kommentarverlauf dort.

    • #3 Alderamin
      12. April 2018

      Hatte überlegt, ob ich Sabines Artikel verlinken soll, aber das wesentliche Argument dort ist lediglich, dass es einen so schnellen Haufen nach ΛCDM eigentlich nicht geben sollte (ohne zu erklären, warum das nach MOND anders sein sollte). Im Wikipedia-Artikel zum Bullet Cluster (ab: “A 2010 study has concluded”) steht schon drin, dass diese Kritik inzwischen ausgeräumt worden sei. Und letztlich ist es ja vollkommen Wurst, wie der Bullet Cluster zustande gekommen ist – die gravitative Masse ist gemessen viel größer als die Sternenmasse, und die baryonische Masse ist woanders als die gravitative. Die Messung geht ja nicht weg, wenn man die Entstehung infrage stellt. Siehe auch die Kommentare unter dem Artikel.

  3. #4 Krypto
    12. April 2018

    @Oliver: Hossi sagt ja selbst, dass Astronomie nun gar nicht ihr Fachgebiet ist. Insofern ist ihr Blog nur bedingt tauglich für eine Gegendarstellung.
    Im Grunde läuft doch alles nur dararuf hinaus, welche Theorie am besten gefittet werden kann. Da ist nun mal DM flexibler als MOND. Zumindest solange, bis wir präzisere Daten aus Beobachtung und Experiment haben.

  4. #5 schlappohr
    12. April 2018

    Ich muss zugeben, dass ich der Argumentation nicht ganz folgen kann. Zwei Cluster kollidieren, fliegen wieder auseinander und verlieren dabei den größten Teil des mitgeführten Gases, das quasi am Ort der Kollision hängen bleibt und eine neue Gaswolke bildet. Welche Rolle spielt dabei die DM? Warum wird die dunkle Materie in den beiden Schwerkraftzentren verortet und nicht in der Gaswolke? Wenn sich die DM in den Clustern konzentriert und diese gravitativ zusammenhält, warum interessieren sich die Gaswolken nicht für deren Gravitation und bleiben in der Mitte? Oder andersherum gefragt, wie sähe der ganze Setup aus, wenn es keine DM gäbe?

  5. #6 Captain E.
    12. April 2018

    @schlappohr:

    Zunächst einmal handelt sich sich nach meinem Verständnis um einen Cluster oder Haufen, der aus zwei Galaxien besteht.

    Zum anderen dürfte die Sache so ein, dass die Sterne als Materieverdichtungen relativ unempfindlich auf andere Verdichtungen reagieren. Wenn zwei Galaxien kollidieren, ziehen die meisten Sterne einfach weiter ihre Bahn, denn die Sterne sind klein und der Weltraum groß. Hinzu kommt, dass die postulierte Dunkle Materie noch viel weniger von der Kollision merkt und damit ein praktisch unverändertes Gravitationspotential bildet, dass die Sterne nach wie vor zusammenhält. Das freie Gas ist viel flexibler und reagiert auch stärker elektromagnetisch miteinander und wird dadurch viel stärker beschleunigt als die Sterne und die Dunkle Materie.

    So, und Alderamin kann mir und dir gerne noch einmal erklären, was an meine Erklärung nun Stuss gewesen ist… 😉

  6. #7 Alderamin
    12. April 2018

    @Schlappohr, @Captain E.

    Es dreht sich hier um 3 Massen: die leuchtende Masse der Sterne, die leuchtende Masse des Gases und die gravitative Masse. Zuerst wird gezeigt, dass die leuchtende Masse hauptsächlich im Gas steckt, diejenige der Sterne spielt kaum eine Rolle. Dann wird gezeigt, dass die gravitative hauptsächlich in den Haufen steckt, wo die Sterne sind. Damit folgt, dass die leuchtende Masse größtenteils nicht da ist, wo die gravitative ist. Und folglich ist die gravitative Masse nichtleuchtend, also dunkel.

    Captain E.s Post erklärt dann noch, wie diese Situation zustande gekommen ist. Aber am wichtigsten ist, dass im Bullet Cluster gravitative Masse und leuchtende Masse an verschiedenen Orten gemessen wurden, was belegt, dass sie verschiedene Träger haben.

  7. #8 schlappohr
    12. April 2018

    Ok, verstanden, das klingt plausibel. Aber ich frage mich dennoch, wie das ganze ohne DM aussähe. Wären die Schwerkraftzentren weniger ausgeprägt? Das Gas würde sich vermutlich genauso verhalten, oder?

    • #9 Alderamin
      12. April 2018

      Dann sollten die Schwerkraft-Linien die dichtesten Stellen des Gases einkreisen, also enger zusammenrücken, weil dort die meiste baryonische Masse ist. Sie sollten die Orte einkreisen, die im linken Bild mit blauen Kreuzen markiert sind (hatte ich im Text und der Bildunterschrift nicht erwähnt, dass das ebenjene Orte sind, um welche die Masse des Gases mit 100 kpc Radius gemessen wurde, weil es dort am dichtesten ist).

  8. #10 Captain E.
    12. April 2018

    @Alderamin:

    Es dreht sich hier um 3 Massen: die leuchtende Masse der Sterne, die leuchtende Masse des Gases und die gravitative Masse.

    Ja, das war mir klar gewesen.

    Zuerst wird gezeigt, dass die leuchtende Masse hauptsächlich im Gas steckt, diejenige der Sterne spielt kaum eine Rolle. Dann wird gezeigt, dass die gravitative hauptsächlich in den Haufen steckt, wo die Sterne sind. Damit folgt, dass die leuchtende Masse größtenteils nicht da ist, wo die gravitative ist. Und folglich ist die gravitative Masse nichtleuchtend, also dunkel.

    Den Zusammenhang hatte ich so nicht gesehen.

    Captain E.s Post erklärt dann noch, wie diese Situation zustande gekommen ist. Aber am wichtigsten ist, dass im Bullet Cluster gravitative Masse und leuchtende Masse an verschiedenen Orten gemessen wurden, was belegt, dass sie verschiedene Träger haben.

    Klar, die Dunkle Materie müsste ziemlich unbeinflusst weiterfliegen, denn die klumpt und reibt nicht. “Klumpen” und “Reiben” sind beide etwas elektromagnetisches, und so etwas kann sie nicht. Die Sterne sind kompakte Objekte und reagieren viel stärker auf die Masse der Dunklen Materie als (elektromagnetisch) auf das vorbeistreichende Gas der anderen Galaxie, und untereinander natürlich sowieso nicht wegen der großen Abstände. Also fliegen sie fast unbeeinflusst weiter. Nur das Gas reibt sich aneinander.

    Nach der Kollision kann man natürlich sehen, wo wieviel leuchtende Materie ist und wie schwer sie ist, und da hat man festgestellt, dass das viel schwerere Gas sich von den leichteren Sternen getrennt hat, aber das dort trotzdem immer noch viel mehr Masse vereint sein muss. Die Masse des leuchtenden Gases passt zu dem, was man misst, aber die Masse der Sterne ist viel zu gering für ihre gravitationelle Wirkung. Soweit alles klar – kein Wunder, dass der Bullet-Cluster allgemein als Indiz gegen MOND angesehen wird.

    • #11 Alderamin
      12. April 2018

      Den Zusammenhang hatte ich so nicht gesehen.

      Das sind dann schon zwei und Grund, den Schlussfolgerungstext noch einmal zu überarbeiten, der ist schließlich die Antwort auf die ursprüngliche Frage. Habe ich getan, ich hoffe, so wird es jetzt klarer.

  9. #12 Captain E.
    12. April 2018

    @Alderamin:

    Für so etwas ist der Kommentarbereich auch zuvorderst da, oder?

    Mir ist übrigens aufgefallen, dass ich oben anscheinend Quatsch geschrieben habe. Es ist also nicht ein Haufen mit zwei Galaxien, sondern tatsächlich zwei ausgewachsene Haufen, die sich zunächst einmal eher nicht vereinigen werden (spätere Heirat nicht ausgeschlossen), aber zurzeit noch dabei sind, sich gegenseitig zu durchdringen. Über wieviele Galaxien auf beiden Seiten sprechen wir eigentlich so in etwa?

    • #13 Alderamin
      12. April 2018

      Für so etwas ist der Kommentarbereich auch zuvorderst da, oder?

      Wenn der Einwand wichtig genug ist, sollte er auch in den Text übernommen werden, weil viele die Kommentare möglicherweise nicht lesen (je mehr Kommentare, desto weniger werden gelesen – hier noch nicht so das Problem, aber grundsätzlich).

      Es ist also nicht ein Haufen mit zwei Galaxien, sondern tatsächlich zwei ausgewachsene Haufen, die sich zunächst einmal eher nicht vereinigen werden (spätere Heirat nicht ausgeschlossen)

      Ja, zwei Galaxienhaufen, die aber wohl auch künftig nicht heiraten werden, bei einer Begegnungsgeschwindigkeit von über 4000 km/s, würde ich mal vermuten (ohne jetzt die Fluchtgeschwindigkeit zu kennen; das ist aber eine Größenordnung schneller, als Galaxien üblicherweise in einem Haufen unterwegs sind).

      Über wieviele Galaxien auf beiden Seiten sprechen wir eigentlich so in etwa?

      Laut Wikipedia 40, aber das kann nicht stimmen, da in einem viel jüngeren Paper, das übrigens die Ergebnisse von Clowe hervorragend bestätigt, schon von “150 cluster members” spricht, deren Bewegung bereits in 2001 analysiert wurde (zu Anfang von “3.1 Previous Work”) – und selbst das dürfte eine tiefe Untergrenze sein, auf die große Entfernung (z=0,3, entsprechend ungefähr 3,9 Milliarden Lichtjahren Eigendistanz) wird man die sicherlich im Haufen vorhandenen zahlreichen Zwerggalaxien gar nicht sehen können. Das werden tausende Galaxien sein.

  10. #14 Captain E.
    12. April 2018

    @Alderamin:

    Wenn der Einwand wichtig genug ist, sollte er auch in den Text übernommen werden, weil viele die Kommentare möglicherweise nicht lesen (je mehr Kommentare, desto weniger werden gelesen – hier noch nicht so das Problem, aber grundsätzlich).

    Was dir ja unbenommen bleibt, aber der Kommentarbereich dürfte wirklich mehr dazu sein, sich über den einen oder anderen Punkt eines Artikels auszutauschen und ggf. auch den Autoren auf Fehler oder Ungenauigkeiten hinzuweisen als so einiges anderes, was wir beide schon erlebt haben.

    Ja, zwei Galaxienhaufen, die aber wohl auch künftig nicht heiraten werden, bei einer Begegnungsgeschwindigkeit von über 4000 km/s, würde ich mal vermuten (ohne jetzt die Fluchtgeschwindigkeit zu kennen; das ist aber eine Größenordnung schneller, als Galaxien üblicherweise in einem Haufen unterwegs sind).

    Das werden wir eher nicht mehr erleben. Aber nachdem sich die beiden Galaxienhaufen in Zukunft gegenseitig abbremsen werden und sie vermutlich zu einem Superhaufen gehören, der ebenfalls mit hineinspielt, geschweige denn zu einem Filament wie der Großen Mauer oder dem Großen Attraktor, mögen sie sich dereinst wieder annähern und irgendwann endgültig miteinander verschmelzen. Zunächst einmal fliegen sie in näherer Zukunft aber eben auseinander.

    Laut Wikipedia 40, aber das kann nicht stimmen, da in einem viel jüngeren Paper, das übrigens die Ergebnisse von Clowe hervorragend bestätigt, schon von “150 cluster members” spricht, deren Bewegung bereits in 2001 analysiert wurde (zu Anfang von “3.1 Previous Work”) – und selbst das dürfte eine tiefe Untergrenze sein, auf die große Entfernung (z=0,3, entsprechend ungefähr 3,9 Milliarden Lichtjahren Eigendistanz) wird man die sicherlich im Haufen vorhandenen zahlreichen Zwerggalaxien gar nicht sehen können. Das werden tausende Galaxien sein.

    O.k., und geht man davon aus, dass das “Geschoss” eher der kleinere Haufen ist?

    • #15 Alderamin
      12. April 2018

      O.k., und geht man davon aus, dass das “Geschoss” eher der kleinere Haufen ist?

      Ja, das sieht man sogar an den Bildern oben (im ersten Bild an der Größe der Gaswolken und welche davon verformt ist; im zweiten Bild links an der Zahl der sichtbaren Galaxien und der Konturen gleicher Schwerkraft, die rechts etwas kleiner sind).

  11. #16 bruno
    13. April 2018

    Upps! Das ging ja schneller als ich gucken konnte! Quickies finde ich super! 😉
    TX!

    Nur noch mal zur Sicherheit – das Gas ist der grosse Anteil der baryonischen Materie (und hängen geblieben) im Gegensatz zu den Sternen in den diversen Galaxien – die zusammen mit der DM weiter geflogen sind?

    • #17 Alderamin
      13. April 2018

      Upps! Das ging ja schneller als ich gucken konnte!

      Jo, Quickies sollen das sein, was ich sonst als Kommentar z.B. bei Florians “Fragen zur Astronomie” geschrieben hätte, aber ich gebe mir ein bisschen mehr Mühe mit Bebilderung, Recherche etc. als bei gewöhnlichen Kommentaren. Bin gespannt, ob noch mehr Fragen kommen.

      Nur noch mal zur Sicherheit – das Gas ist der grosse Anteil der baryonischen Materie (und hängen geblieben) im Gegensatz zu den Sternen in den diversen Galaxien – die zusammen mit der DM weiter geflogen sind?

      Ganz genau richtig!

  12. #18 scilo
    Geständnis
    15. April 2018

    weil viele die Kommentare möglicherweise nicht lesen

    Ich lese nur die Kommentare :-)