Eines der Dinge, die ich an der Astronomie liebe, ist, wie sie sich im Laufe der Zeit schnell verändert und weiterentwickelt. Jeden Tag gibt es neue Entdeckungen und Fortschritte in Theorien, die uns in unserem Verständnis des Universums schrittweise voranbringen.
Eines der besten Beispiele dafür ist dunkle Materie; mysteriös und unsichtbar, aber ein bedeutender Teil des Universums und für die überwiegende Mehrheit der Masse da draußen verantwortlich.
Es wurde erstmals vor fast 100 Jahren theoretisiert, als Astronomen die Gesamtmasse entfernter Galaxienhaufen vermessen und herausfanden, dass die sichtbare Masse, die wir sehen können, nur ein Bruchteil des gesamten Materials in den Haufen sein muss. Wenn Sie die Sterne und das Gas addieren, bewegen und rotieren Galaxien auf eine Weise, die darauf hindeutet, dass sie von einem riesigen Halo aus unsichtbarer Materie umgeben ist.
Einige der besten Beweise kamen von Vera Rubin und Kent Ford in den 60er und 70er Jahren, als sie die Rotationsgeschwindigkeit von Edge-on-Spiralgalaxien maßen. Sie schätzten, dass es etwa sechsmal so viel Dunkle Materie wie reguläre Materie geben muss.
Dieses Bild des Hubble-Weltraumteleskops der NASA zeigt die Verteilung der dunklen Materie im Zentrum des riesigen Galaxienhaufens Abell 1689
Dunkle Materie wurde zu einem ernsten Mysterium in der Astronomie, und viele Beobachter und Theoretiker haben das letzte halbe Jahrhundert damit verbracht, herauszufinden, was sie ist.
Und die Dunkle Materie hat ihre Geheimnisse nicht so leicht preisgegeben. Ursprünglich dachten Astronomen, dass es sich möglicherweise nicht um eine unsichtbare Masse handelt, sondern um ein Missverständnis darüber, wie die Schwerkraft auf den größten Skalen funktioniert.
Aber in den letzten Jahrzehnten wurden Techniken entwickelt, die die Schwerkraft der Dunklen Materie selbst nutzen, um zu messen, wie sie Licht von weiter entfernten Objekten beugt. Astronomen wissen nicht, was Dunkle Materie ist, aber sie können sie als Teleskop verwenden. Das ist jetzt beeindruckend.
Sie haben erstaunliche Merkmale im Netz der dunklen Materie gefunden, riesige Wände und Filamente, die die größten Strukturen im Universum definieren. Cluster, in denen dunkle Materie und ihr Gas voneinander getrennt wurden.
Denken Sie daran, dass wir an der Spitze dieses Mysteriums stehen und Sie sehen, wie es sich in Echtzeit entfaltet. In 25 Jahren werden wir sicher auf unsere kuriosen Versuche zurückblicken, die Dunkle Materie zu verstehen.
Eine der interessantesten Fragen, die ich derzeit habe, lautet: Könnte es Galaxien der Dunklen Materie geben? Völlig unsichtbar für unsere Augen, aber in der Lage, durch die Schwerkraft zu interagieren?
Verteilung der Dunklen Materie im Supercluster Abell 901/902
Natürlich bringe ich in Zeiten wie diesen gerne einen Klingelton mit. Jemand, der sein Leben dem Studium dieser Fragen gewidmet hat.
Und heute habe ich mit meiner Sarah Pearson, einer Doktorandin der Astronomie an der Columbia University und Gastgeberin von „ Raum mit Sarah “. Sarah untersucht die Entstehung und Wechselwirkungen von Zwerggalaxien, die die Milchstraße umgeben, um zu verstehen, wie sich Galaxien zu den frühesten Zeiten im Universum aufgebaut haben und die großen Galaxien bilden, die wir heute sehen.
Fraser:Sarah, willkommen beim Guide to Space.
Sarah:Hallo Fraser, danke.
Fraser:Können Sie ein wenig darüber sprechen, wie Astronomen die Verteilung der Dunklen Materie im Universum bestimmen?
Sarah:Ja auf jeden Fall. Das ist also eine schwierige Frage, wie Sie gerade erklärt haben, wir sehen die dunkle Materie nicht. Aber eine Annahme über das Universum, in dem wir leben, ist die leichte Materie oder baryonische Materie. Zum Beispiel, was Sie, ich und Sterne bestehen, und auch Galaxien, verfolgen irgendwie, wo sich die dunkle Materie befindet.
Eine Annahme ist also, dass die helle Materie der dunklen Materie folgt. Auf diese Weise können wir tatsächlich riesige Entfernungen abbilden, wie sich Galaxien und Galaxienhaufen in unserem Universum befinden. Und wir stellen uns vor, dass die Struktur der Dunklen Materie etwas ähnlich ist.
Simulation dunkler Materie. Bildnachweis: NASA
Und auch in letzter Zeit haben sehr groß angelegte Struktursimulationen unseres eigenen Universums dies angegangen, indem sie mit einer fast gleichförmigen Verteilung der Dunklen Materie im sehr frühen Universum begonnen haben. Und was sie sehen, ist, wenn sie das Universum in der Zeit entwickeln lassen, zum Beispiel, wenn sich das Universum ausdehnt, diese Klumpen dunkler Materie bilden sich in all diesen Filamenten, die Sie besprochen haben, zu Galaxien.
Sie können den Ort der Dunklen Materie irgendwie bestimmen, indem Sie die Ausdehnung des Weltraums gegenüber der Schwerkraft verstehen, die die Galaxien erzeugt, die wir sehen.
Fraser:Und ich weiß in den Beobachtungen, dass Sie diese unterschiedlichen Verteilungen von Materie und Dunkler Materie sehen, es ist nicht das perfekte 1:6-Radio, das ich gerade erwähnt habe. Sie sehen tatsächlich Klumpen von dunkler Materie, die manchmal von normaler Materie getrennt sind. Kann man also tatsächlich ganze Galaxien haben, die vollständig aus dunkler Materie bestehen?
Sarah:Ja, das ist eines der Themen, auf die ich mich sehr freue. Ich arbeite an einigen dieser reinen Dunkle-Materie-Galaxien, und man kann sich das so vorstellen, dass die Dunkle Materie im frühen Universum fast gleichförmig verteilt ist. Aber einiges davon ist etwas dichter als andere Teile, die zu Galaxien zusammenfallen. Und viele dieser Galaxien werden tatsächlich viel kleiner sein als die Milchstraße. Und weil sie so klein sind, fällt es ihnen schwer, die Materie in ihnen tatsächlich festzuhalten.
Ein heller junger Stern leuchtet Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Wir glauben, dass Sie, wenn die Sternentstehung in diesen Galaxien eingeschaltet wird, tatsächlich viel von dem Gas ausblasen, das mehr Sterne erzeugen könnte, aber Sie werden die dunkle Materie nicht ausblasen. Das bedeutet, dass Sie mit diesen kleinen winzigen Galaxien enden könnten, die nur dunkle Materie haben. Sie haben vielleicht etwas Gas, aber sie sind für uns Astronomen sehr schwer zu finden.
Fraser:Nun, wenn es sich um dunkle Materie handelt und die dunkle Materie unsichtbar ist, wie finden wir sie dann?
Sarah:Oh, tolle Frage. In unserem aktuellen Paradigma der Kosmologie und unserer Denkweise über das Universum wird zum Beispiel angenommen, dass es um unsere eigene Galaxie Milchstraße tatsächlich Tausende von Klumpen der Dunklen Materie geben sollte, diese Galaxien der Dunklen Materie, die unsere eigene Galaxie umkreisen.
Künstlerische Darstellung der dunklen Materie, die die Milchstraße umgibt. (ESO/L. Calçada)
Einige von ihnen könnten zerstört werden, wenn sie die riesige Milchstraßenscheibe passieren, das ist eine Möglichkeit, sie zu zerstören. Die kleineren könnten allein durch die Gezeiten zerstört werden, wenn sie um die Galaxie kreisen. Wir stellen uns jedoch vor, dass einige von ihnen überleben könnten. Tatsächlich können sie durch sogenannte Sternströme pflügen, die entstehen, wenn eine echte Galaxie in unsere eigene Milchstraße fällt und sich durch die Gezeiten ausdehnt. Sie sollten in der Lage sein, diese Dichtesignaturen im Sternenstrom zu sehen, und das könnte darauf hinweisen, welche Art von Halo aus Dunkler Materie sie durchpflügte.
Fraser:Sie haben angedeutet, wie sie sich bilden könnten. Sie haben diese Sterne, da sie sich früh bilden und sich selbst auseinander sprengen und der Klumpen dunkler Materie sie nicht festhalten kann, so dass dieser Teil weg ist. Ist das der Hauptweg, auf dem sich diese bilden könnten, gibt es andere Möglichkeiten, diese dunklen Galaxien zu erhalten?
Sarah:Eine andere Hypothese ist, dass Sie, wenn Sie ein AGN haben, einen aktiven galaktischen Kern innerhalb einer Galaxie aus einem Schwarzen Loch, auf diese Weise tatsächlich auch viel Gas aus einer Galaxie ausblasen könnten. Aber es ist uns Astronomen immer noch nicht ganz klar, welche Art von Galaxien und ob kleine Galaxien diese aktiven galaktischen Kerne haben würden.
Diese künstlerische Darstellung zeigt die Umgebung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen der aktiven Galaxie NGC 3783 im südlichen Sternbild Centaurus (The Centaur). Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser
Die beste Theorie im Moment ist also, dass einige von ihnen anfangs möglicherweise viel Gas angezogen haben, weil sie nicht viel Schwerkraft hatten, um das Gas anzuziehen. Aber auch, weil dieses Gas komplett verloren geht. Auch von Sternen, die tatsächlich explodieren, nicht nur von Sternen, die sich anfangs einschalten.
Fraser:Und ich weiß, dass Astronomen und Physiker versuchen, im Large Hadron Collider nach dunkler Materie zu suchen und zu sehen, ob sie das darunterliegende Teilchen verstehen können. Gibt uns die Suche, an der Sie arbeiten, ein Gefühl für die zugrunde liegende Natur der Dunklen Materie?
Sarah:Ja, auch eine tolle Frage, denn zum Beispiel wenn dunkle Materie kalt ist. Das Paradigma der kalten dunklen Materie ist derzeit sehr beliebt. Was besagt, dass Dunkle Materie ein sehr massives, schwach wechselwirkendes Teilchen sein könnte. Wenn wir von warmer oder kalter Dunkler Materie sprechen, meinen wir auch, wie schnell sie sich bewegt. Und je nachdem, welche Art von Teilchen Dunkle Materie ist, legt diese Art die Struktur des frühen Universums fest.
Wir können also anfangen zu zählen, wenn wir kalte dunkle Materie haben, würden wir erwarten, eine bestimmte Menge dieser kalten dunklen Galaxien zu sehen, während diese Menge anders wäre, wenn wir warme dunkle Materie hätten.
Die internationale Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS) hat das Teilchen entdeckt, von dem angenommen wird, dass es im gesamten Universum aus dunkler Materie besteht.
Fraser:Das ist wirklich cool, und die Beobachtungen, die Sie machen, geben den Physikern eine bessere Vorstellung davon, wonach sie in ihren Teilchenbeschleunigern suchen sollten, und beide Seiten können zusammenarbeiten. Das ist wirklich super.
Okay Sarah, platziere deine Wetten. Was ist Ihrer Meinung nach der wahrscheinlichste Kandidat für dunkle Materie?
Sarah:Ich denke immer noch, dass dies eine schwierige Frage ist, und ich bin mir nicht sicher, ob die Teilchenphysiker noch denken, dass wir ihnen helfen. Wir gehen die Dinge immer noch von verschiedenen Seiten an, aber wir werden sehen.
Ich denke immer noch, dass es eines dieser schwach interaktiven massiven Teilchen sein wird, die wir nur noch nicht entdeckt haben.
Fraser:Vielen Dank, dass Sie sich mir beim Guide to Space angeschlossen haben, Sarah. Ich weiß es wirklich zu schätzen, dass Sie uns diese Galaxien der Dunklen Materie erklären.
Nun, da hast du es. Dunkle Materie ist seltsam, seltsames Zeug. Wir wissen immer noch nicht, was es ist, aber wir können sehen, wie es sich bewegt, durch seine Schwerkraft mit Materie interagiert. Und wir können sehen, wie es ganze Galaxien nur aus dunkler Materie bilden kann.
Ein großes Dankeschön an Sarah Pearson. Wenn Sie es noch nicht getan haben, schauen Sie sich ihren YouTube-Kanal an: Space with Sarah. Sie behandelt große Themen, wie die Frage, wann die Sonne ausgeht, wie groß das Universum ist und wie Galaxien in einem expandierenden Universum kollidieren können.
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