Seit der ' Goldenes Zeitalter der Allgemeinen Relativitätstheorie “ In den 1960er Jahren haben Wissenschaftler behauptet, dass ein Großteil des Universums aus einer mysteriösen unsichtbaren Masse besteht, die als „ Dunkle Materie “. Seitdem haben Wissenschaftler versucht, dieses Rätsel mit einem zweigleisigen Ansatz zu lösen. Einerseits haben Astrophysiker versucht, ein Kandidatenteilchen zu finden, das diese Masse erklären könnte.
Andererseits haben Astrophysiker versucht, eine theoretische Grundlage zu finden, die das Verhalten der Dunklen Materie erklären könnte. Bisher konzentrierte sich die Debatte auf die Frage, ob es „heiß“ oder „kalt“ ist, wobei die Kälte aufgrund ihrer relativen Einfachheit einen Vorteil genießt. Eine neue Studie unter der Leitung von Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) belebt die Idee, dass Dunkle Materie tatsächlich „warm“ sein könnte.
Dies basierte auf kosmologischen Simulationen der Galaxienentstehung unter Verwendung eines Modells eines Universums, das interaktive Dunkle Materie enthielt. Die Simulationen wurden von einem internationalen Forscherteam des CfA, des MIT durchgeführt Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung , das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam , und mehrere Universitäten. Die Studie erschien vor kurzem im Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society .
Künstlerische Darstellung des kosmologischen Modells LCDM. Quelle: Wikipedia Commons/Alex Mittelmann, Coldcreation
Wenn es darauf ankommt, wird Dark Matter passend benannt. Zunächst einmal macht es etwa 84% der Masse des Universums aus, emittiert, absorbiert oder reflektiert jedoch weder Licht noch irgendeine andere bekannte Form von Strahlung. Zweitens hat es keine elektromagnetische Ladung und interagiert nicht mit anderer Materie außer durch die Schwerkraft, die schwächste der vier Grundkräfte.
Drittens besteht es nicht aus Atomen oder ihren üblichen Bausteinen (d. h. Elektronen, Protonen und Neutronen), was zu seiner mysteriösen Natur beiträgt. Infolgedessen vermuten Wissenschaftler, dass es aus einer neuen Art von Materie bestehen muss, die mit den Gesetzen des Universums vereinbar ist, aber in der konventionellen Teilchenphysik-Forschung nicht auftaucht.
Zwei Simulationen der Galaxienentstehung, als das Universum etwa eine Milliarde Jahre alt war. Quelle: Bose et al. 2019
Ungeachtet ihrer wahren Natur hat Dunkle Materie seit etwa 1 Milliarde Jahren nach dem Urknall einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung des Kosmos gehabt. Es wird angenommen, dass es bei allem von der Entstehung von Galaxien bis zur Verteilung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) eine Schlüsselrolle gespielt hat.
Darüber hinaus werden kosmologische Modelle, die die Rolle der Dunklen Materie berücksichtigen, durch Beobachtungen dieser beiden sehr unterschiedlichen Arten kosmischer Strukturen unterstützt. Außerdem stimmen sie mit kosmischen Parametern wie der Expansionsrate des Universums überein, die selbst von einer mysteriösen, unsichtbaren Kraft beeinflusst wird (bekannt als „ Dunkle Energie ').
Die derzeit am weitesten verbreiteten Modelle der Dunklen Materie gehen davon aus, dass sie über den Einfluss der Schwerkraft hinaus mit keiner anderen Materie oder Strahlung (einschließlich sich selbst) wechselwirkt – also „kalt“ ist. Dies ist das sogenannte Cold Dark Matter (CDM)-Szenario, das oft mit der Theorie der Dunklen Energie (vertreten durch Lambda) in Form des kosmologischen Modells LCDM kombiniert wird.
Diese theoretische Form der Dunklen Materie wird auch als nicht-interaktiv bezeichnet, da sie nicht in der Lage ist, mit normaler Materie durch etwas anderes als die schwächsten der fundamentalen Kräfte zu interagieren. Dr. Sownak Bose, Astronom beim CfA und Hauptautor der Studie, erklärte gegenüber Universe Today per E-Mail:
„[CDM] ist das am besten getestete und bevorzugte Modell. Dies liegt vor allem daran, dass in den letzten vier Jahrzehnten oder so hart daran gearbeitet wurde, Vorhersagen mit kalter Dunkler Materie als Standardparadigma zu treffen – diese werden dann mit echten Daten verglichen – mit der Erkenntnis, dass dieses Modell im Allgemeinen in der Lage ist reproduzieren ein breites Spektrum beobachteter Phänomene über eine Vielzahl von Skalen.“
Wie er es beschreibt, wurde das Szenario der kalten Dunklen Materie zum Spitzenreiter, nachdem numerische Simulationen der kosmischen Evolution mit „heißer Dunkler Materie“ – in diesem Fall dem Neutrino – durchgeführt wurden. Dies sind subatomare Teilchen, die einem Elektron sehr ähnlich sind, aber keine elektrische Ladung haben. Sie sind auch so leicht, dass sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum bewegen (mit anderen Worten, sie sind kinematisch „heiß“).
Diese Simulationen zeigten, dass die vorhergesagten Verteilungen nicht so aussahen wie das Universum heute“, fügte Bose hinzu. „Aus diesem Grund wurde die entgegengesetzte Grenze in Betracht gezogen, Teilchen, die bei ihrer Geburt kaum Geschwindigkeit haben (auch bekannt als „kalt“). Simulationen, die diesen Kandidaten einschlossen, passen viel besser zu modernen Beobachtungen des Universums.
„Nachdem die Astronomen dieselben Galaxien-Cluster-Tests wie zuvor durchgeführt hatten, fanden sie eine verblüffende Übereinstimmung zwischen dem simulierten und dem beobachteten Universum. In den folgenden Jahrzehnten wurde das kalte Teilchen durch strengere, nicht triviale Tests als einfach nur Galaxienhaufen getestet, und es hat im Allgemeinen alle diese mit Bravour bestanden.“
Ein weiterer Reiz ist die Tatsache, dass kalte Dunkle Materie (zumindest theoretisch) entweder direkt oder indirekt nachweisbar sein sollte. Hier gerät der CDM jedoch in Schwierigkeiten, da alle bisherigen Versuche, ein einzelnes Teilchen zu detektieren, gescheitert sind. Aus diesem Grund haben Kosmologen andere mögliche Kandidaten in Betracht gezogen, die noch geringere Interaktionsgrade mit anderer Materie aufweisen würden.
Das wollte Sownak Bose, Astronom beim CfA, mit seinem Forscherteam herausfinden. Für ihre Studie konzentrierten sie sich auf einen „warmen“ Kandidaten für Dunkle Materie. Diese Art von Partikel hätte die Fähigkeit, subtil mit sehr leichten Partikeln zu interagieren, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, wenn auch weniger als die interaktivere „heiße“ Variante.
Insbesondere könnte es in der Lage sein, mit Neutrinos, dem ehemaligen Spitzenreiter des HDM-Szenarios, zu interagieren. Es wird angenommen, dass Neutrinos während des heißen frühen Universums sehr verbreitet waren, so dass die Anwesenheit wechselwirkender Dunkler Materie einen starken Einfluss gehabt hätte.
Sichtbares Licht (links) und Infrarotbild (rechts) der Whirlpool-Galaxie, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA. Bildnachweis: NASA/ESA/M. Regan & B. Whitmore (STScI) & R. Chandar (U. Toledo)/S. Beckwith (STScI) & das Hubble Heritage Team (STScI/AURA .)
„In dieser Klasse von Modellen darf das Teilchen der Dunklen Materie eine endliche (aber schwache) Wechselwirkung mit einer strahlenden Spezies wie Photonen oder Neutrinos haben“, sagte Dr. Bose. „Diese Kopplung hinterlässt einen ziemlich einzigartigen Eindruck in der ‚Klumpigkeit‘ des Universums zu frühen Zeiten, der sich ganz von dem unterscheidet, was man erwarten würde, wenn die Dunkle Materie ein kaltes Teilchen wäre.“
Um dies zu testen, führte das Team modernste kosmologische Simulationen in den Supercomputing-Anlagen von Harvard und der University of Island durch. Diese Simulationen betrachteten, wie die Galaxienbildung durch das Vorhandensein von sowohl warmer als auch dunkler Materie von etwa 1 Milliarde nach dem Urknall bis zu 14 Milliarden Jahren (ungefähr heute) beeinflusst wird. Dr. Bose sagte:
„[W]ie führten Computersimulationen durch, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie dieses Universum nach 14 Milliarden Jahren Evolution aussehen könnte. Neben der Modellierung der Dunkle-Materie-Komponente haben wir auch modernste Vorschriften zur Sternentstehung, den Auswirkungen von Supernovae und Schwarzen Löchern, der Bildung von Metallen einbezogenetc. '
Anschließend verglich das Team die Ergebnisse miteinander, um charakteristische Signaturen zu identifizieren, die sich voneinander unterscheiden würden. Sie fanden heraus, dass die Auswirkungen dieser interaktiven Dunklen Materie für viele Simulationen zu gering waren, um wahrnehmbar zu sein. Sie waren jedoch auf verschiedene Weise vorhanden, insbesondere in der Weise, wie weit entfernte Galaxien im Weltraum verteilt sind.
Eine Computersimulation der Verteilung der Materie im Universum. Orangene Regionen beherbergen Galaxien; blaue Strukturen sind Gas und Dunkle Materie. Bildnachweis: TNG-Kollaboration
Diese Beobachtung ist besonders interessant, weil sie in Zukunft mit Instrumenten der nächsten Generation getestet werden kann. „Der Weg, dies zu tun, besteht darin, die Klumpigkeit des Universums zu diesen frühen Zeiten zu kartieren, indem man sich die Verteilung von Wasserstoffgas ansieht“, erklärte Dr. Bose. „Beobachtet ist dies eine gut etablierte Technik: Wir können neutralen Wasserstoff im frühen Universum untersuchen, indem wir uns die Spektren entfernter Galaxien (normalerweise Quasare) ansehen.“
Kurz gesagt, Licht, das von fernen Galaxien zu uns gelangt, muss das intergalaktische Medium passieren. Befindet sich viel neutraler Wasserstoff im dazwischen liegenden Medium, werden die Emissionslinien der Galaxie teilweise absorbiert, während sie bei geringer Menge ungehindert bleiben. Wenn Dunkle Materie wirklich kalt ist, zeigt sie sich in Form einer viel „klumpigeren“ Verteilung von Wasserstoffgas, während ein WDM-Szenario zu oszillierenden Klumpen führt.
Derzeit verfügen astronomische Instrumente nicht über die notwendige Auflösung, um Wasserstoffgasschwingungen im frühen Universum zu messen. Aber wie Dr. Bose andeutete, könnte diese Forschung Impulse für neue Experimente und neue Einrichtungen geben, die in der Lage wären, diese Beobachtungen zu machen.
Zum Beispiel IR-Instrumente wie die James Webb Weltraumteleskop (JWST) könnte verwendet werden, um neue Karten der Verteilung der Wasserstoffgasabsorption zu erstellen. Diese Karten könnten den Einfluss interaktiver Dunkler Materie entweder bestätigen oder als Kandidat ausschließen. Es ist auch zu hoffen, dass diese Forschung Menschen dazu anregt, über die bereits in Betracht gezogenen Kandidaten nachzudenken.
Am Ende, sagte Dr. Bose, liegt der wahre Wert darin, dass diese Art von theoretischen Vorhersagen Beobachtungen zu neuen Grenzen führen und die Grenzen dessen testen können, was wir zu wissen glauben. 'Und das ist alles, was Wissenschaft wirklich ist', fügte er hinzu, 'eine Vorhersage zu machen, eine Methode vorzuschlagen, um sie zu testen, das Experiment durchzuführen und dann die Theorie einzuschränken/auszuschließen!'
