Eine neue Theorie über Dunkle Materie und Dunkle Energie

Weder dunkle Materie noch dunkle Energie können direkt beobachtet werden, sondern es ist bekannt, dass sie aufgrund ihrer Auswirkungen auf Objekte in ihrer Umgebung existieren. Zum Beispiel kann dunkle Materie Licht um sie herum biegen, ohne Licht zu emittieren oder zu reflektieren.

Vor genau einem Jahrhundert, an einem Abend im Jahr 1918, schrieb der renommierte Physiker Albert Einstein eine Idee auf die Seiten seines Notizbuchs. Diese Idee könnte der Schlüssel zur Lösung eines der größten und schwer fassbaren Rätsel der gesamten Physik sein: das der Dunklen Materie und der Dunklen Energie. Zusammen machen sie über 95% des Universums aus, arbeiten unsichtbar daran, Galaxien zu umhüllen und erweitern unser Universum sofort mit zunehmender Geschwindigkeit, um uns von nahe gelegenen Sternensystemen weg und in eine Zukunft mit großen Spaltungen zu treiben.

Die Idee, über die Einstein schrieb, war eine Anpassung an die allgemeine Relativitätstheorie, bei der der leere Raum zu einer negativen Masse wird, die sich unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt. Diese negativen Massen würden den interstellaren Raum bevölkern. Diese Idee entstand jedoch, um die kosmologische Konstante zu erklären - oder was Einstein als den größten Fehler seines Lebens bezeichnete. Zu der Zeit, als die kosmologische Konstante geschaffen wurde, war es eine allgemein akzeptierte Überzeugung, dass das Universum statisch war. Das heißt, es wurde weder expandiert noch kontrahiert. Aber wenn dies wahr war, musste etwas der Schwerkraft entgegenwirken, um zu verhindern, dass das Universum in sich zusammenbricht. So wurde die kosmologische Konstante mit Antigravitationseigenschaften geboren.

Heute verstehen wir, dass das Universum nicht statisch ist und sich weiter ausdehnt, und so hat die kosmologische Konstante eine neue Bedeutung erhalten. Es repräsentiert die Dunkle Energie innerhalb des Lambda CDM, unserem aktuellen und am meisten akzeptierten Modell des Universums. Die neueste Theorie über dunkle Materie und dunkle Energie widerspricht nicht dem Standardmodell und baut stattdessen auf der Notiz auf, die Einstein vor all den Jahren für sich selbst gemacht hat.

Die vom Astrophysiker Jamie Farnes von der Universität Oxford entwickelte Theorie vereint dunkle Materie und dunkle Energie zu einer einzigen durchdringenden Substanz, die als dunkle Flüssigkeit bekannt ist. Die dunkle Flüssigkeit besteht aus negativen Massen, die eine negative Schwerkraft besitzen. Mit positiver, normaler Materie und positiver Schwerkraft ziehen sich Objekte gegenseitig an. Aber Objekte mit negativer Masse würden Materie abstoßen, so dass das Wegdrücken der negativen Masse von Ihnen tatsächlich dazu führte, dass sie näher und nicht weiter weg kam. Dies bedeutet aber auch, dass sich zwei negative Massenteilchen gegenseitig abstoßen würden, ein Phänomen, das der allgemeinen Relativitätstheorie widerspricht. Diese Eigenschaft der Abstoßung wird durch keine mathematischen Gleichungen gestützt und ist lediglich eine Ergänzung, die Farnes aufgrund seiner eigenen Intuition vorgenommen hat. Es ist jedoch entscheidend für seine Hypothese.

Die Hubble-Konstante ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, hängt jedoch davon ab, wo Sie messen. Das Universum um uns herum dehnt sich mit einer Geschwindigkeit von 73,5 km / s (45,6 Meilen pro Sekunde) pro Megaparsec aus. Das weiter entfernte Hintergrunduniversum bewegt sich mit 67 km / s (41,6 Meilen pro Sekunde) pro Megaparsec.

Diese dunkle Flüssigkeit würde helfen, die Bildung von Halos aus dunkler Materie um Galaxien zu erklären. So wie sie sind, drehen sich Galaxien so schnell, dass Sterne in Richtung der äußeren Regionen zerreißen und sich im Universum zerstreuen sollten. Dies liegt daran, dass es weniger Gravitationseinflüsse gibt, je weiter man sich vom Zentrum der Galaxie entfernt, so dass Sterne am Stadtrand schneller rotieren und sich zerstreuen. Dunkle Materie ermöglicht jedoch die Bildung von Galaxien, da sie einen unsichtbaren „Lichthof“ um die Struktur erzeugt. Unser eigenes Sonnensystem bewegt sich mit 230 km / s durch diese dunkle Materie und nimmt sie eher als nicht nachweisbaren, sich schnell bewegenden Wind wahr.

Aber Physiker stehen Farnes 'Theorie aus vielen Gründen skeptisch gegenüber. Einer davon ist die Dichte des Universums, wenn es sich ausdehnt. Wenn dunkle Energie aus negativer Masse bestehen würde, würde ihre Dichte mit der Ausdehnung des Universums abnehmen, während Untersuchungen zeigen, dass die Dichte des Universums die gleiche bleibt, wie es wächst. Um dieses Problem zu lösen, stützt sich Farnes auf eine andere etablierte Idee, die als „Materieerschaffung“ bekannt ist. Dies besagt, dass Materie im gesamten Universum ständig erschaffen wird und ständig mit immer mehr negativen Massen bevölkert wird. Diese neu erzeugten negativen Massen würden diejenigen ersetzen, die verschwinden, und die Dichte festhalten. Dies führt jedoch wiederum zu einem anderen Problem. Laut der Quantenmechanik würde alles instabil werden, wenn im Vakuum des Raumes eine negative Masse erzeugt werden könnte. Soweit wir das beurteilen können, ist dies nicht der Fall.

Während es wissenschaftlich nichts gibt, was die Existenz negativer Masse im Universum verhindert, wurde sie auch außerhalb eines Labors nie beobachtet. Wissenschaftler sind sich nicht sicher, welcher natürliche Mechanismus die Existenz einer negativen Masse ermöglichen würde, aber Forschungen am CERN und zukünftige Technologien wie das Square Kilometer Array (ein Projekt zum Bau des weltweit größten Radioteleskops) könnten dazu beitragen, Farnes 'Konzept auf eine solide Grundlage zu stellen. Im Moment basiert es auf einigen älteren Ideen und vorläufigen Forschungen unter Verwendung von Computersimulationen und Mathematik.

Ein künstlerischer Eindruck davon, wie das Quadratkilometer-Array nach Fertigstellung aussehen wird. Der Baubeginn ist für 2019 geplant und der Betrieb wird 50-mal empfindlicher sein als jedes andere Funkinstrument.

Bisher deutet die bekannteste Theorie zur Dunklen Materie darauf hin, dass es sich um ein exotisches Teilchen handelt, das nicht mit Licht interagiert, aber dennoch die Schwerkraft auf Objekte in seiner Umgebung ausübt. Experimente am Large Hadron Collider suchen weiterhin nach seltenen Partikeln, von denen eines für die Dunkle Materie verantwortlich sein könnte. Andere Wissenschaftler glauben, dass sich die Schwerkraft in größeren Maßstäben stark von der Schwerkraft unterscheidet, die wir in kleineren Maßstäben gewohnt sind. Um dunkle Materie zu lösen, müssen wir die Schwerkraft aus einer anderen Perspektive betrachten. Was Ideen über dunkle Energie betrifft, so ist dies ein noch größeres Rätsel, das wir nur schwer definieren können.

Während Farnes 'Theorie besagt, dass wir Boote mit positiver Materie sind, die über ein dunkles, flüssiges Meer gleiten, ist sie aufgrund ihrer Symmetrie auch attraktiv. Zwei der größten Geheimnisse wurden zu einem zusammengefasst, und das Universum weist eine ausgewogene Positivität und Negativität auf. Dieser riesige Ozean aus dunkler Energie und dunkler Materie, der uns so lange entgangen ist, kann durch ein kleines, elegantes Minuszeichen erklärt werden.

Die Modelle, die Farnes bisher geschaffen hat, sind vielversprechend; Sie erklären die anhaltende Expansion des Universums und verschiedene Eigenschaften der galaktischen Rotation. Mitastrophysiker warnen davor, dass es wichtig ist, offen für neue Theorien zu sein. Sie können seltsam sein und scheinen unsere etablierten wissenschaftlichen Vorstellungen in Frage zu stellen, aber viele unserer größten Einsichten in das Universum begannen genau auf diese Weise - mit einem Gefühl des Unglaubens.