Michael Lerchster

2005-11-14 Kopf des Monats

Hi from the dark side of the universe!

Mein Name ist Michael Lerchster und ich bin Astrophysiker am Institut für Astrophysik an der Universität Innsbruck.Nach einem kurzem (12 Jahre lang !) Intermezzo als Ingenieur in der Privatwirtschaft habe ich den Pfad zur „dunklen Seite“ des Universums (Astro- und Hochenergiephysik) gefunden und arbeite in der Gruppe von Prof. Dr. Sabine Schindler gerade an meiner Diplomarbeit „Dark Matter distribution in cluster of galaxies“, d.h. der Analyse der Verteilung von dunkler Materie (Dark Matter) in Galaxien-Haufen (clusters of galaxies). Zu diesem Zweck simuliere ich einerseits numerisch Galaxien-Haufen und analysiere ihre Wirkung als Gravitationslinsen, anderseits berechne ich mit tatsächlich beobachteten Galaxienhaufen, welche Gravitationsbögen (arcs, arclets) aufweisen, die Massenverteilung.

Nun stellen sich einige Fragen: Was sind Galaxien-Haufen? Was sind Gravitationslinsen? Was ist Dark Matter? Was sind Simulationen?

Galaxien-Haufen – bestehen aus einigen tausend Einzelgalaxien, die sich alle mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im gemeinsamen Schwerefeld des Haufens bewegen. Nach dem Stand der Forschung sind sie die größten Unterstrukturen, die gravitativ gebunden sind. Die Masse liegt bei etwa 1014 bis 1015 Sonnenmassen (1 Sonnenmasse = 2 01032003grumil10012003/142212news.shtml 01072003christian.gottfried13032003/213344FAKTannonce.shtml 01072005widhalm01062005/123558kdm_harry.shtml 02062003grumil02052003/105057news.shtml 02062003grumil02052003/105057news.shtml~ 03062002christian.gottfried08052002/084427FAKTnews040502b.shtml 03092004widhalm03082004/154949cern50.shtml 03102005widhalm07092005/110305articlekitz.shtml 03112002grumil03102002/132502news.shtml 03112002grumil03102002/133710news.shtml 04042004rebhana04032004/175409hstsn.shtml 04062004grumil04052004/182034news.shtml 04082003paulrom04072003/163726fwf.shtml 04112004grumil04102004/171607news.shtml 04112004grumil04102004/171607news.shtml~ 04112004widhalm04102004/094615hanneskopf.shtml 04112005grumil04102005/122606news.shtml 04112005rebhana04092005/141746qgpth.shtml 04122004hiesmayr03112004/142605strodl.shtml 05052003christian.gottfried15032003/115914crab.shtml 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walten08052004/105038description.shtml walten08052004/110504description.shtml 1012 km, das entspricht der Distanz die das Licht in einem Jahr zurücklegt), mit Geschwindigkeiten die um etwa 500-1000 km/s streuen (sogenannte Pekuliargeschwindigkeiten). In den dichten Zentralregionen von Galaxienhaufen findet man meist Elliptische Galaxien, während Galaxien am Rand von Haufen, Galaxien in Gruppen und Feldgalaxien meist Spiralgalaxien sind. Galaxienhaufen sind von einem dünnen, 10 bis 100 Millionen Kelvin (0 K = - 273.15 °C) heißen Gas durchdrungen, das durch seine Röntgenstrahlung beobachtbar ist.

Abb. 1

Gravitationslinsen – Galaxienhaufen, wie z.B. der in Abbildung 1gezeigte Abell 2218 (Aufnahme des Hubble Space Telescopes - HST), erzeugen Gravitationskräfte, die zu Verzerrungen von Bildern der Hintergrundobjekte zu Punktquellen und Bögen führen. Dieser Effekt wird „Lensing“ genannt. Aus der Form der Verzerrung und weiteren Informationen ist die Massenverteilung des Galaxienhaufens nach den Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie (ART) modellierbar. So wurde die Existenz von deutlich mehr Masse abgeleitet, als es die bekannten Massekomponenten erklären können. Diese unbekannte Komponente wird als Dark Matter bezeichnet.

Grundsätzlich unterscheidet man 3 Arten von „Lensing“:

1. Strong lensing - tritt hauptsächlich bei Galaxienhaufen auf, sogenanntes „Galaxie Lensing“.
Leicht erkennbare Verzerrungen (Einstein-Ringe, Bögen, Vielfachbilder) von Objekten sind die Folge.

2. Weak lensing – tritt immer auf. Es folgt eine schwache Verzerrung der Form (Elliptizität) von Galaxienbildern durch die Gravitation.
Weak lensing kann nur durch statische Analysen (Kreuzkorrelation) ermittelt werden.

3. Micro lensing – kommt hauptsächlich bei Sternen vor. Hierbei tritt keine Verzehrung auf, jedoch eine zeitlich schwankende Intensität,
aufgrund eines geometrischen Effektes beim Vorbeiziehen eines massiven Vordergrundobjektes.

Links :
Gravitationslinsen vom HST
Astrophysikalisches Institut Potsdam - Gravitational Lensing in Astronomy
Institut für Astrophysik und Extraterrestrische Forschung der Universität Bonn - Gravitationslinsen und Kosmologie

Abb. 2

Dark Matter - Nach heutigen Erkenntnissen nimmt man an, dass das Universum zu etwa 70% aus Dunkler Energie, zu 25% aus Dunkler Materie und zu rund 5% aus "gewöhnlicher Materie" (z.B. Atome, bis zu 0.3% Neutrinos) besteht.
Die Dunkle Materie im Universum gibt uns eines der größten Rätsel der Astrophysik auf. Sie offenbart sich unter anderem durch die Bewegung von Galaxien. Man beobachtet wie sich Galaxien in Galaxien-Haufen mit höheren Geschwindigkeiten bewegen, als man durch die Gravitationskraft der sichtbaren Materie alleine erwarten würde. Daher muß es im Universum eine unsichtbare Form der Materie oder eine ungewöhnliche Klasse dunkler Objekte geben.
Die Suche nach dieser Dunklen Materie stellt eine der gegenwärtig interessantesten Aufgaben der Teilchen- und Astrophysik dar. Es erscheint immer deutlicher, dass die Erklärung für die Natur der Dunklen Materie jenseits des Standardmodells der Physik zu suchen ist. Dabei werden neue schwach wechselwirkende, massive Elementarteilchen vorhergesagt, aus denen die Dunklen Materie bestehen könnte (WIMPS, Axions, WIMPZILLAS, usw.).

Links:
Kandidaten für Dunkle Materie
review „Dark Matter Candidates“

Abb. 3

Simulationen – werden u.a. zur Analyse der Massenverteilung in Galaxien-Haufen verwendet (Allgemein ist eine Simulation eine Vorgehensweise überwiegend zur Analyse dynamischer Systeme. Bei der Simulation werden Experimente an einem Modell durchgeführt, um Erkenntnisse über das reale System zu gewinnen.). In meiner Diplomarbeit verwende ich das freeware Software-Packet WSLAP. Mit dieser Software ist es möglich Galaxie-Haufen zu modellieren, welche als Gravitationslinsen für Hintergrundgalaxien agieren. Man kann also je nach Lage des Beobachters die Abbildungen (arcs, arclets) der Hintergrundgalaxien berechnen. Ferner besteht die Möglichkeit beobachtete Daten zu analysieren, d.h. mit der Angabe von Lage und Entfernung der Gravitationsbögen kann die Massenverteilung der Gravitationslinse (z.B. Galaxien-Haufen) bestimmt werden.

Grundprinzip der Simulation ist die numerische Lösung eines mathematischen Problems, d.h. im konkreten Fall wird die Linsengleichung der allgemeinen Relativitätstheorie – sprich wie wird ein Lichtstrahl durch eine Massenverteilung abgelenkt und das wird auf einem diskreten Gitter gelöst. Die Gleichungen werden zu diesem Zweck linearisiert. Um die Simulation vom Rechenaufwand zu optimieren werden bestimmte Algorithmen verwendet, in diesem Fall wird die konjugierte Gradient Methode in mehreren Dimensionen benutzt.

Links:
programm-paket WSLAP
programm-manual

Die Natur der Dark Matter und der Dark Energy ist bis heute unklar. Auf der ganzen Welt arbeiten Wissenschaftler daran, dieses Geheimnis mit immer ausgefeilteren Methoden, wie erdgebundene Beschleunigerexperimente (LHC, TEVATRON) oder Weltraumteleskope (PLANCK, SNAP), zu lüften. Gelingt es Ihnen, wäre das ein großer Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Astro- und Teilchenphysik, sowie von der Entstehung und Entwicklung unseres Universums im allgemeinem.

Für mich ist es faszinierend, gerade jetzt durch meine Arbeit, ein kleines Stück dazu beizutragen. Aus der Verteilung der Dark Matter und mithilfe der Gasverteilung, welche von Satelliten im Röntgenbereich beobachtet werden kann, lassen sich aus Galaxien-Haufen kosmologische Parameter ableiten, im speziellen die Zustandsgleichung der Dark Energy, welche sich auf das Wachstum von kosmischen Strukturen auswirkt.

Michael Lerchster
Kontakt: Michael.Lerchster@uibk.ac.at


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