Exotische Theorien der Dunklen Materie. Gravitationswellen. Observatorien im Weltraum. Riesige Schwarze Löcher. Kollidierende Galaxien. Laser. Wenn Sie ein Fan der tollsten Dinge des Universums sind, dann ist dieser Artikel für Sie.
Dunkle Materie und die Zwerggalaxie
Die meisten Inhalte unseres Universums sind von einer der Physik völlig unbekannten Form. Das ist nur eine grobe Tatsache, an die wir uns alle gewöhnen müssen. Wenn Sie versucht sind zu denken, dass es nur eine Art vonkosmologischeProblem, ein Problem, das nur in den allergrößten Ausmaßen auftritt, dann habe ich schlechte Nachrichten für Sie. Eine dieser mysteriösen Komponenten des Kosmos ist – soweit wir das beurteilen können – eine Form von Materie.
Aber nicht irgendeine Form von Materie, sonst hätten wir sie jetzt schon gesehen. Nein, wir denken, es ist eine Art vondunkelGegenstand; Materie, die einfach nicht mit Licht interagiert . Keine Emission. Keine Absorption. Keine Streuung. Nichts. Und die Tatsache, dass dunkle Materie existiert, sollte nicht seindasüberraschend, oder? Wer hat das alles im Universum diktiert?mussmit Licht interagieren?
Niemand tat es, und hier sind wir. Wenn Sie sich eine zufällige Galaxie ansehen, repräsentieren die leuchtenden Dinge – Sterne, Nebel usw. – nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtmasse dieser Galaxie. Das genaue Verhältnis zwischen „normaler“ Materie und dunklem Material hängt von vielen Faktoren ab, wie der Entstehungsgeschichte der Galaxie. Aber im Allgemeinen gilt: Je kleiner die Galaxie ist, desto mehr wird sie von dunkler Materie dominiert.
Klein, dunkel und dunkel: die Zwerggalaxie UGC 5189A. Bildquelle: ESO
Die kleinsten Galaxien, bekannt als Zwerggalaxien , könnte ein praktisches Labor für die Untersuchung der Dunklen Materie sein. In diesen Galaxien ist die Dunkle Materie frei, das zu tun, was Dunkle Materie tut, ohne dass diese lästige Materie, die mit Licht interagiert, die Dinge wirklich verkompliziert. Wenn dunkle Materie etwas Seltsames tut (naja, seltsamer als einfach nur zu existieren), wie mit sich selbst über die schwache Kernkraft interagieren oder aus mehreren Arten von exotischen Teilchen bestehen, dann werden sich alle Effekte in einer Zwerggalaxie stärker bemerkbar machen als so etwas wie Die Milchstraße.
Das ist alles großartig und gut, mit Ausnahme der kleinen Einschränkung, dass all diese interessanten Physik unter der Haube abläuft, es für uns jedoch schwer ist, es zu sehen. Weil es dunkel ist.
Die Schwarze-Loch-Verbindung
Eines der vielen Dinge, die wir über Dunkle Materie nicht verstehen, ist, wie sie sich in den Kernen von Galaxien verhält. Einfach Simulationen der Galaxienentwicklung sagen etwas voraus, das als „Höcker“ bezeichnet wird – eine harte Nuss von unglaublich hoher Dichte, die im ansonsten cremigen Zentrum einer Galaxie sitzt. Aber Beobachtungen zeigen dies nicht: Es sollte viele Sterne geben, die dem gravitativen Einfluss all dieser dunklen Materie folgen. Und es gibt sicher viele Sterne im Zentrum einer Galaxie, aber nichtdasviele.
Etwas muss glätte die zentrale dunkle Materie . Es könnten exotische Wechselwirkungen in der Dunklen Materie selbst sein. Es könnten banalere Ursachen wie Supernovae-Winde sein, die das Gas ausstoßen. Es könnte beides sein, oder keines.
Astronomen interessieren sich sehr für die Kerne von Galaxien und insbesondere von Zwerggalaxien, weil sie dort potenziell viel über Dunkle Materie lernen können. Und trotz ihrer komplizierten, chaotischen Physik brauchen wir immer noch Sterne und Gas, um die Zwerggalaxien zu beobachten, zu untersuchen und zu studieren, in der Hoffnung, das Verhalten der darunter liegenden Dunklen Materie verfolgen zu können. Aber Zwerggalaxien sind weit weg, dunkel und klein – und ihre Kerne noch mehr.
Wie könnten wir in sie hineinschauen?
Zum Glück haben Galaxien mehr als nur Sternenbewohner. Sie haben auch Schwarze Löcher. Riese supermassive in ihren Kernen und Millionen kleinerer schweben darin. Und die Tatsache, dass riesige Schwarze Löcher dazu neigen, sich in den Kernen ihrer Wirtsgalaxien zu versammeln, könnte nützlich sein. Also vielleicht – arbeiten Sie hier mit mir zusammen – wenn wir das Verhalten der Schwarzen Löcher in Zwerggalaxien irgendwie untersuchen könnten, könnten wir einige Hinweise auf die Natur der Dunklen Materie bekommen.
LISA hört im Dunkeln
Schwarze Löcher sind aber auch schwarz und schwer zu erkennen. Und Klein. Und weit weg. Zum Glück müssen wir Schwarze Löcher nicht sehen – wir können sie hören.
Wenn Schwarze Löcher kollidieren, beben sie und verzerren das Gewebe der Raumzeit so sehr, dass sie Wellen verursachen, wie sich von einem schweren Stein ausbreiten, der ins Wasser fällt. Diese Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit im ganzen Weltraum aus und dehnen und quetschen jede dazwischenliegende Materie ein wenig, während sie vorbeirauschen. Tatsächlich wird Ihr Körper, während Sie dies lesen, wie ein Stück Kitt von den unzähligen Gravitationswellen, die durch die Erde gehen, gezogen und gepresst.
Diese Gravitationswellen sind wahnsinnig schwer zu erkennen, weshalb die ersten Menschen, die sie gemessen haben, es geschafft haben einige Nobelpreise für ihren jahrzehntelangen Einsatz interferierende Lichtstrahlen zu verwenden, um das subtile Signal zu erfassen.
Aber unser drei Gravitationswellen-Observatorien auf der Erdoberfläche kann uns bei unserem Schwarz-Loch-innerhalb-Zwerggalaxie-zu-Studien-Dunkle-Materie-Problem nicht helfen. Diese Schwarzen Löcher – bekannt als Schwarze Löcher mittlerer Masse -sind zu klein, um hier in der Milchstraße ein nachweisbares Signal zu erzeugen, wenn sie verschmelzen.
Aber ein Gravitationswellen-Observatorium im Weltraum könnte es. Die vorgeschlagene LISA-Mission (was für Laser Interferometer Space Antenna steht) könnte die richtige Empfindlichkeit haben, um das Signal verschmelzender mittelgroßer Schwarzer Löcher zu sehen, genau wie diejenigen, die man in den Herzen von Zwerggalaxien findet.
Und nach a neues Papier, das kürzlich von den Astrophysical Journal Letters angenommen wurde unter der Leitung von Tomas Tomfal von der Universität Zürich können verschiedene Modelle der Dunklen Materie (und ihrer möglichen Wechselwirkungen mit der normalen lichtliebenden Materie) beeinflussen, wie oft und wie schnell Schwarze Löcher in Zwerggalaxien verschmelzen, was LISA auseinander pflücken kann.
Es ist ein Umweg zum Verständnis der Dunklen Materie, aber bei einem so ärgerlichen Problem wie diesem ist es ein vielversprechendes.
