Vor etwa 25 Jahren bemerkten Astrophysiker etwas sehr Interessantes über das Universum. Dass es sich in einem Expansionsstadium befand, war seit den 1920er Jahren dank der Beobachtung von Edwin Hubble bekannt. Aber dank der Beobachtungen, die Astronomen mit dem Weltraumobservatorium machten, das seinen Namen trug (das Hubble-Weltraumteleskop ) begannen sie zu bemerken, wie die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion schneller wurde!
Dies hat zu der Theorie geführt, dass das Universum von einer unsichtbaren und mysteriösen Kraft erfüllt ist, bekannt als Dunkle Energie (DE). Jahrzehnte nachdem es vorgeschlagen wurde, versuchen Wissenschaftler immer noch, diese schwer fassbare Kraft zu ermitteln, die etwa 70 % des Energiehaushalts des Universums ausmacht. nach a Kürzlich durchgeführte Studie von einem internationalen Forscherteam hat das XENON1T-Experiment diese schwer fassbare Kraft möglicherweise bereits entdeckt und neue Möglichkeiten für die zukünftige DE-Forschung eröffnet.
Die Forschung wurde von Dr. Sunny Vagnozzi geleitet, einem Forscher der Kavli-Institut für Kosmologie (KICC) an der University of Cambridge und Dr. Luca Visinelli, a Innovationsstipendium (FELLINI) Forscher (der mit Unterstützung der Marie-Sklodowska-Curie-Stipendium ) Bei der Nationales Institut für Kernphysik (INFN) in Frascati, Italien. Dazu kamen Forscher des Institute de Physique Theórique (IPhT), der University of Cambridge und der University of Hawai’i.
Sowohl DM als auch DE sind Teil der Lambda Kalte Dunkle Materie (LCDM) Modell der Kosmologie, das postuliert, dass das Universum mit kalten, sich langsam bewegenden Teilchen (DM) gefüllt ist, die allein über die Schwerkraft mit normaler Materie wechselwirken. Das Lambda steht für DE, das die Expansion des Universums beschleunigt. Da sie nur durch die Beobachtung ihrer Wirkung auf die großräumige Struktur des Universums erkannt werden, geht die konventionelle Auffassung davon aus, dass keine Kraft mit normaler Materie über Elektromagnetismus oder die schwache oder starke Kernkraft wechselwirkt.
Einige DM-Theorien gehen jedoch davon aus, dass es eine gewisse Wechselwirkung mit sichtbarer Materie gibt, die Forscher aktiv testen. Anstelle weiterer Testergebnisse bleiben Astrophysiker und Kosmologen jedoch unklar, wie sich DE in die physikalischen Gesetze einfügt, die das Universum regieren. Zu den Kandidaten gehören bisher eine Modifikation von Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (GR), das Vorhandensein eines neuen Feldes oder eine kosmologische Konstante (CC). Wie Dr. Visinelli Universe Today per E-Mail sagte:
„Aus diesem Grund ist dunkle Energie möglicherweise noch mysteriöser als dunkle Materie. Wir sehen die Auswirkungen der dunklen Energie durch eine Reihe von Beobachtungen, beginnend mit den bahnbrechenden Arbeiten an den Supernovae 1A als Standardkerzen. Angenommen, die dunkle Energie ist tatsächlich ein Feld, wären die damit verbundenen Quanten extrem leicht und tragen sehr wenig Energie. Aus diesem Grund wurde dieser Art von Suche nur sehr wenig Arbeit gewidmet.“
Ihre Arbeit basiert auf neuer Forschung, die über das Standard-LCDM-Modell der Kosmologie hinausgeht, um zu berücksichtigen, dass DE mit Licht interagiert, indem es seine Eigenschaften (d. h. Polarisation, Farbe, Richtung) beeinflusst. Diese Wechselwirkungen könnten jedoch Screening-Mechanismen unterliegen, die lokale Experimente daran hindern, sie zu entdecken. In diesem Modell wird vorhergesagt, dass dunkle Energiequanten in der Sonne produziert werden können.
Der XENON1T-Detektor, von unten gezeigt. Bildnachweis: XENOX-Kollaboration.
Wie Dr. Vagnozzi erklärte, kam ihm der mögliche Zusammenhang zwischen Screening und dunkler Energie zum ersten Mal, als er eines Tages duschte:
„Ich erinnere mich, dass es der 20. Juni war und ich duschte und darüber nachdachte, dass Sonnenaxionen (nicht) XENON erklären würden, und mir wurde klar, dass der offensichtliche Ausweg das Screening war, da es die Produktion in dichteren Sternen einstellen würde. Screening wird normalerweise mit Modellen der dunklen Energie und/oder der modifizierten Schwerkraft in Verbindung gebracht, und es gab das „Klicken“.'
'Ich habe Luca sofort Whatsapped und wir haben sofort angefangen, daran zu arbeiten (und haben unsere anderen Co-Autoren kontaktiert, die Experten für gescreente Dunkelenergie-/modifizierte Gravitationsmodelle sind).“
Für ihre Studie betrachtete das Team um Dr. Vagnozzi und Dr. Visinelli die von der XENON-Zusammenarbeit , ein DM-Forschungsteam bestehend aus 135 Forschern von 22 Institutionen auf der ganzen Welt. Das Herzstück ihres Experiments ist ein 3.500 kg (7.715 lbs) schwerer Detektor aus ultraradioreinem flüssigem Xenon, der in einem 10 m (32,8 ft) großen Wassertank untergebracht ist. Befindet sich am INFN Nationale Laboratorien von Gran Sasso , XENON ist auch das empfindlichste Experiment zu Dunkler Materie (DM), das jemals durchgeführt wurde.
Im Jahr 2020 veröffentlichte die Kollaboration die Ergebnisse ihres Experimentallaufs (2016 bis 2018), der eine unerwartete Rate von Elektronenrückstoßereignissen zeigte. Laut Kollaboration stellte dies keinen DM-Nachweis dar, sondern könnte durch eine winzige Restmenge an Tritium im Experiment, die Existenz eines neuen Teilchens (wie das Sonnenaxion) oder eine ungeklärte Eigenschaft bei Neutrinos erklärt werden.
Das Top-PMT-Array mit allen Stromkabeln. Bildnachweis: XENON Dark Matter Project
Für ihre Studie stellte das Team um Vagnozzi und Visinelli jedoch die Theorie auf, dass dies möglicherweise der erste direkte Nachweis von DE war. Sagte Vagnozzi:
„In unserem Modell besitzt dunkle Energie besondere Eigenschaften: Ihr Massenterm hängt mit der Dichte der Umgebung zusammen, sodass die dichteren Materialien die Auswirkungen der dunklen Energie abschirmen würden, während hellere Umgebungen wie der intergalaktische Raum eine große Reichweite ermöglichen würden der dunklen Energie.
„In diesem „Chamäleon“ genannten Modell werden Quanten dunkler Energie in der Region der Sonne erzeugt, in der das elektromagnetische Feld am stärksten ist, der Tachokline, also der Region, in der der Energietransport innerhalb der Sonne von Strahlungsenergie übergeht zu konvektiv. Die hohe Energiedichte der elektromagnetischen Strahlung in der Region ermöglicht eine starke Kopplung mit dem Chamäleonfeld und seiner Produktion.“
Wenn dies zutrifft, könnte dies bedeuten, dass sich weltweit Experimente, die derzeit auf die Erforschung der Dunklen Materie ausgerichtet sind, auch der Jagd nach Dunkler Energie widmen könnten. Zu diesem Zweck hoffen Dr. Vagnozzi und Dr. Visinelli, dass diese Studie das Interesse an den Teilchenmodellen des DE weckt und die Suche nach diesen schwer fassbaren Teilchen parallel zur laufenden Suche nach DM durchgeführt werden kann. Nicht zuletzt werden diese Experimente Theorien über DE testen, die über das LCDM-Modell hinausgehen, und den Wissenschaftlern helfen, die Liste der Kandidaten einzugrenzen. Dr. Visinelli sagte:
„Viele andere Experimente, die für Dunkle Materie entwickelt wurden, können ebenfalls Informationen über diese Chamäleons liefern, und wir hoffen, dass die Entwicklung zukünftiger Setups für diese Suchen ins Auge gefasst wird. Ein unabhängiger Test mit kosmologischen Daten, die mit den Vorhersagen des Chamäleon-Modells gekreuzt werden, wäre ebenfalls erforderlich. Was uns betrifft, planen wir, die Berechnungen in unserer Arbeit mithilfe eines Sonnenmodells zu verfeinern, die Produktion von Chamäleons in massereichen Sternen zu untersuchen und mit Experimentatoren für Updates in Kontakt zu treten.“
Illustris-Simulation, die die Verteilung der Dunklen Materie in 350 Millionen mal 300.000 Lichtjahren zeigt. Galaxien werden als hochdichte weiße Punkte (links) und normale baryonische Materie (rechts) dargestellt. Bildnachweis: Markus Haider/Illustris
In einem aktuelles Papier , führten Dr. Vagnozzi und Dr. Visinelli eine Studie durch, um zu untersuchen, ob reine elastische Streuung zwischen dunkler Energie und baryonischer (alias normaler) Materie einen sichtbaren Abdruck in kosmologischen Beobachtungen hinterlassen könnte. Sie stellten fest, dass dies nicht wahrscheinlich war, zumindest wenn dies auf Beobachtungen angewendet wurde, die auf die lineare Entwicklung der kosmischen Struktur empfindlich sind, wie etwa der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) und die Clusterbildung der großräumigen Struktur auf linearer Ebene.
Dr. Vagnozzi arbeitet jedoch auch mit einem Ph.D. Student in München, um diese Studie zu erweitern und die Auswirkungen vorherzusagen, die die Wechselwirkung von DE mit normaler Materie haben würde. Konkret wollen sie untersuchen, welche Auswirkungen dies auf die nichtlineare Anhäufung der großräumigen Struktur des Universums sowie auf die Struktur von Galaxien und Galaxienhaufen haben würde. Gepaart mit groß angelegten Durchmusterungen, die in den kommenden Jahren von Teleskopen der nächsten Generation profitieren werden, könnten Astronomen und Kosmologen kurz davor stehen, Licht in das „dunkle Universum“ zu werfen!
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