Ein Überblick über die Dunkle Materie

Quantenfelder, Schwerkraft und Hinweise auf nicht-baryonische Teilchen

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Eines der ältesten Projekte in der Wissenschaft ist die Konstruktion einer grundlegenden Ontologie. Der Wissenschaftler möchte ein umfassendes Modell der Welt schaffen, in dem keine Phänomene ungeklärt bleiben. Neue Modelle gelten als erfolgreich, wenn sie den Bereich unseres Verständnisses weiter erweitern. Die Physik erreicht wieder einen Punkt, an dem unsere aktuellen Theorien eine Neuartikulation erfordern. Eine bestimmte Klasse astronomischer Beobachtungen entzieht sich weiterhin der Erklärung, dass in Regionen ohne sichtbare Materie starke Gravitationspotentiale existieren. Dieses Papier konzentriert sich auf die Einführung der primären Beweise, die diese Behauptungen stützen. Zunächst möchte ich jedoch kurz die Erklärungskraft unserer aktuellen Theorien skizzieren.

Teilchen und Felder

Quantenfeldtheorien sind einige der erfolgreichsten Modelle des Universums bis heute. Wie der Name schon sagt, wird das Universum als dynamisches System von Quantenfeldern beschrieben. Jedes dieser Felder entspricht einem Grundpartikel aus dem Standardmodell. Wenn ein Teilchen lokalisiert ist, wird es als angeregter Schwingungsmodus seines zugrunde liegenden Feldes angesehen. Die erste Quantenfeldtheorie bezog sich auf die elektromagnetische Kraft, die als QED bekannt ist. Von dort wurden kohärente Feldtheorien für die anderen Teilchen im Standardmodell entwickelt. Die folgende Tabelle ist eine der krönenden Errungenschaften der Physik. Sie listet siebzehn Klassen von Teilchen auf, die für fast jede bekannte Wechselwirkung im Universum verantwortlich sind.

Einer der Schlüsselparameter zur Unterscheidung dieser Partikelklassen ist der intrinsische Drehimpuls, der als Spin bezeichnet wird. Teilchen mit halb-ganzzahligem Spin sind als Fermionen bekannt, während Teilchen mit ganzzahligem Spin Bosonen sind. Die starke, schwache und elektromagnetische Kraft werden alle als Wechselwirkungen zwischen Fermionen beschrieben, die durch den Austausch von Eichbosonen vermittelt werden. Die Schwerkraft ist mit dieser Schematisierung noch nicht vereinheitlicht und lässt sich am besten durch die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein beschreiben. Die Gravitation ist die dynamische Krümmung der Raumzeit, die durch die Energiedichte der Regionen verändert und unter Verwendung des metrischen Tensors berechnet wird. Eine nicht intuitive Folge dieser Formulierung ist die Gravitationslinse. Bei astronomischen Beobachtungen müssen Photonen von entfernten Objekten große Entfernungen zurücklegen, um uns zu erreichen. Wenn die Regionen, die sie durchlaufen, durch das Vorhandensein großer Mengen an Massenenergie verzerrt werden, wird die Photonenbahn verzerrt. Dies führt zu stark verzerrten optischen Bildern und kann uns wichtige Beweise dafür liefern, wie viel Materie dieses Photon auf seiner Reise zur Erde durchlaufen hat. Die Stärke der Linsen variiert, von dramatischen Bildern desselben Himmelsobjekts, die mehrfach auftreten, bis hin zu einer leichten, aber konsistenten systematischen Ausrichtung von Objekten, die ansonsten nicht korreliert sein sollten.

Eine wichtige Klasse von Partikeln für unsere kommende Diskussion sind Baryonen. Dazu gehören bekannte Teilchen wie Protonen und Neutronen, die sich durch eine Zusammensetzung aus drei Quarks auszeichnen. Wenn wir uns typischerweise auf die Substanz des Universums beziehen, meinen wir baryonische Materie. Das gesamte Periodensystem und der Zweig der Chemie sind den verschiedenen Konfigurationen dieser Materieform gewidmet. Es wurde jedoch zunehmend plausibel gemacht, dass der Großteil der Materiedichte des Universums nicht baryonisch ist. Diese Aussage wird durch die unerklärlich starken Gravitationspotentiale im Weltraum stark bestätigt, und wir könnten bald gezwungen sein, über das Standardmodell hinauszugehen. Ich werde nun einen Überblick über die Beweise für diese Behauptung in der Reihenfolge ihres Maßstabs geben: von der galaktischen Ebene über die Bewegung zu Clustern bis hin zur Untersuchung, wie diese Anomalie auf der Ebene des gesamten Universums fortbesteht.

Galaktische Rotationskurven

Spektroskopie

Die Fähigkeit von Astronomen, die chemische Zusammensetzung entfernter Sternobjekte zu bestimmen, beruht hauptsächlich auf einer als Spektroskopie bekannten Technik, mit der die Wechselwirkung zwischen Materie und elektromagnetischer Strahlung untersucht werden kann. Wenn Gase angeregt werden, wechseln die Elektronen zwischen verschiedenen Orbitalschalen und emittieren Energie in Form von Photonen. Die unterschiedlichen Energieniveaus üblicher Gase wie Wasserstoff und Helium sind bekannt und quantisiert. Dies bedeutet, dass das Spektrum der von einem bestimmten Gas emittierten sichtbaren Photonen ein eindeutiges und erkennbares Muster ergibt. Mit diesem Wissen sollten wir in der Lage sein, mit Blick auf Sterne und Planeten ihre Zusammensetzung anhand des Musters des abgegebenen sichtbaren Lichts zu bestimmen. Es wurde jedoch beobachtet, dass das gesamte Emissionsspektrum entfernter Nebel rotverschoben war. Die beste Erklärung für dieses Ereignis lieferte Edwin Hubble, der feststellte, dass sich das Universum ausdehnte. Diese Expansionsrate wird vom Hubble-Parameter erfasst. Die Spektroskopie in Verbindung mit Hubbles Beobachtung ist eine der wichtigsten Methoden zur Bestimmung der Zusammensetzung von Himmelsobjekten.

Nicht-Kepler-Verhalten

In vielen Arten von Galaxien neigen umlaufende Körper dazu, in einer dünnen Scheibe zu liegen und sich in kreisförmigen Bahnen um das galaktische Zentrum zu bewegen. Die Messung der Umlaufgeschwindigkeit dieser Körper als Funktion der Entfernung vom Zentrum ergibt eine galaktische Rotationskurve. Wenn Sie sich vom Zentrum einer Galaxie entfernen, würde man erwarten, dass ein Keplerianer abfällt. Die Umlaufgeschwindigkeit sollte zunächst ansteigen und dann stetig abfallen, wenn der Radius größer wird. Angesichts dieser Beziehung scheint es einfach zu sein, anzunehmen, dass Sie die Massenverteilung einer Galaxie aus ihrer Rotationskurve ableiten könnten. Bis in die 1970er Jahre war die optische Technologie begrenzt, und nur innere galaktische Scheiben benachbarter Galaxien hatten Kurven gemessen. Für Punkte außerhalb des gemessenen Radius wurde das Kepler-Verhalten einfach extrapoliert. In Horace Babcocks Dissertation von 1939 konstruierte er eine Rotationskurve für die M31-Galaxie bis zu 20 kpc. Er bemerkte ungewöhnlich hohe Umlaufgeschwindigkeiten bei großen Radien, was bedeutete, dass für entfernte Regionen von M31 hohe Masse-zu-Licht-Verhältnisse berechnet wurden. Vera Rubin und Kevin Ford veröffentlichten 1978 verfeinerte Messungen der M31-Rotationskurve und erhielten den ersten konkreten Beweis dafür, dass eine unsichtbare Kraft die Rotationskurven abflachte. Schließlich maß Albert Bosma die Rotationskurven von 25 Galaxien, die alle eindeutig keinen Geschwindigkeitsabfall zeigten. Um das Problem zusammenzufassen: Angesichts der Anzahl sichtbarer Himmelsobjekte, die zum Gravitationspotential der Galaxie beitragen, bewegten sich die äußeren Sterne viel zu schnell. Das Gravitationsfeld von der Scheibe allein ist zu schwach, um die notwendige Beschleunigung für die äußeren Sterne bereitzustellen. Zu diesem Zeitpunkt hatten viele unabhängige Experimente die Tatsache bestätigt, dass die Kepler-Vorhersage nicht mehr gültig war. Somit scheint das Problem nicht mit experimenteller Präzision zu liegen.

Galaxienhaufen

Koma-Cluster und Jungfrau-Cluster

Als Fritz Zwicky 1933 ein Papier mit dem Titel The Redshift of Extragalactic Nebulae veröffentlichte. Während er Beobachtungen am Koma-Cluster machte, stellte er eine sehr große Radialgeschwindigkeitsstreuung unter acht seiner Galaxien fest. Die Dispersion war ungefähr 1000 km / s - so hoch, dass es merkwürdig wurde, wie dieser scheinbar stabile Cluster gravitativ gebunden blieb. Während diese Dispersion bereits 1931 von Edwin Hubble und Milton Humason festgestellt worden war, ging Zwicky weiter und wandte den Virialsatz an, um eine Annäherung an die kinetische Energie des Systems zu erhalten. Unter Verwendung von Schätzungen für die Anzahl der beobachteten Galaxien, die galaktischen Massen, die Materiedichte, die Verteilung und die Clustergröße stellte Zwicky fest, dass die Geschwindigkeitsdispersion eines mechanisch stabilen Koma-Clusters etwa 80 km / s betragen sollte. Diese Argumentation deckte die gesamte sichtbare Materie des Systems ab - daher unterhielt er die Vorstellung, dass möglicherweise eine große Dichte nicht leuchtender Materie verantwortlich sein könnte. Abschließend stellt er fest, dass dies ein ungelöstes Problem bleibt.

1936 wurde die Dynamik des Virgo-Clusters von Sinclair Smith untersucht. Nach einer ähnlichen Reihe logischer Schritte wie Zwicky stellte er fest, dass die durchschnittliche Masse der Galaxien in Virgo zwei Größenordnungen höher war als Hubbles Schätzung. Galaktische Massen werden oft in Sonnenmasseneinheiten angegeben, die sie mit der Masse unserer Sonne in Beziehung setzen. Dies ermöglicht eine einfache Umwandlung in ein Verhältnis von Sonnenmassen zu Sonnenleuchtkraft, das als Masse-zu-Licht-Verhältnis bekannt ist (unsere Sonne ist gleich eins). Dies ist wichtig, da wir unsere Sonne im Allgemeinen als Standardstern betrachten und ihr Verhältnis von Masse zu Licht daher für Sterne im Allgemeinen repräsentativ sein sollte. Sowohl Zwicky als auch Smith erzielten jedoch außergewöhnlich hohe Verhältnisse - wobei Zwickys ursprüngliche Berechnung ein Masse-zu-Licht-Verhältnis von etwa 500 ergab. Selbst nach korrekter Anpassung der galaktischen Masen und eines genaueren Werts des Hubble-Parameters zeigten beide Messungen immer noch ein großes ungelöstes Problem. Die Community insgesamt konnte jedoch immer noch nicht feststellen, ob einer der Cluster stabil war, was Zwickys Verwendung des Virial Theorem ungültig machen würde. Erst viele Jahre später wurden diese Messungen mit ausreichender Präzision durchgeführt, was die anomalen Beobachtungen von Smith und Zwicky bestätigte.

Aufzählungszeichen

Im Jahr 2004 wurde die Kollision zweier Galaxienhaufen beobachtet. Die übliche Dynamik der Clusterkollision herrschte vor, und es schien, dass der größte Teil der galaktischen Masse in Form von Röntgenstrahlen bestand. Diese Röntgenstrahlen wechselwirketen elektromagnetisch und blieben in der Mitte der Kollisionsstelle. Durch Beobachtung der schwachen Gravitationslinse von Hintergrundobjekten wurde jedoch festgestellt, dass der größte Teil der Masse des damals genannten Bullet Clusters tatsächlich in Regionen jenseits der Kollisionsröntgenstrahlen konzentriert war. Zwischen dieser Messung, dem seltsamen Verhalten von Clustern und den nicht-Keplerschen Rotationskurven steht außer Zweifel, dass unsere grundlegende Ontologie unvollständig ist. Ich werde nun untersuchen, wie sich diese Anomalie im großen Maßstab darstellt, und mich möglichen Erklärungen zuwenden.

Einschränkungen der kosmologischen Fülle

Viele konvergierende Beweislinien wurden bei der Konstruktion unserer kosmischen Ursprungsgeschichte berücksichtigt. Mit unserer bekannten Physik und rückwärts arbeiten können wir ein konsistentes Bild des frühen Universums ableiten. Zum Beispiel lässt uns die Beobachtung, dass sich das Universum derzeit ausdehnt, natürlich glauben, dass, wenn wir weit genug rückwärts gehen, alles zur selben Zeit am selben Ort sein würde, was als Singularität bekannt ist. Ebenso kann angenommen werden, dass das Universum, wenn es kühler wird, von Anfang an viel dichter und heißer war.

Urknall-Nukleosynthese

Die nächste Reihe von Beobachtungen, die ich vorstellen möchte, sind die Einschränkungen, die der Menge an baryonischer Materie im Universum auferlegt werden. Vor den genauen Messungen der Mikrowellenhintergrundanisotropien war die Urknallnukleosynthese (BBN) das primäre Mittel zur Einschränkung der Baryonendichte. Mithilfe spektroskopischer Methoden fanden Astronomen im Kosmos eine Fülle von leichten Nukleotiden wie Deuterium, He3, He4 und Li7. Diese Ergebnisse standen im Widerspruch zu aktuellen Modellen der Stern- und Supernova-Nukleosynthese, da viele dieser Elemente nicht in Sternen hergestellt, sondern tatsächlich von ihnen als Brennstoff verwendet werden. Es wurde bald festgestellt, dass ungefähr 25% der Dichte der baryonischen Materie des Universums Helium ist - und es gab keinen theoretischen Rahmen, um diese Beobachtungen zu stützen. Die Arbeiten von Alpher, Bethe & Gamow aus dem Jahr 1948 werfen ein Licht auf eine ursprüngliche Form der Nukleosynthese. Sie stellten fest, dass eine frühe Universumsform des Neutroneneinfangs dazu beitrug, die Fülle an Lichtelementen zu erklären. Dies bestätigte auch die Urknallansicht des Universums - die berichtet, dass das frühe Universum in seinen Kinderschuhen heiß, dicht und unter immensem Druck stand. In dieser frühen Phase trat eine als Baryogenese bekannte Epoche auf, in der sich Protonen und Neutronen zu bilden begannen - und die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie entwickelte sich. Während sich das Universum weiter ausdehnte und abkühlte, begannen sich bei etwa 10 ^ 9K viele der leichten Isotope von Wasserstoff und Helium zu bilden (da es noch zu heiß war, um Elektronen von Kernen einzufangen). Da Sternbeobachtungen die Häufigkeit von Lichtelementen einschränkten und diese aus frühen Baryonen gebildet wurden, musste die anfängliche Baryonendichte ein sorgfältig abgestimmter Parameter sein. In den 1990er Jahren veröffentlichten Scott Burles und David Tytler ihre hochpräzisen Messungen der Deuteriumhäufigkeit. Diese beschränkten die baryonischen Häufigkeiten auf 2 +/- 0,2% der kritischen Dichte, um das Universum zu schließen.

Akustische baryonische Spitzen

Entscheidende Beweise für die Theorie des heißen und dichten Urknalls wurden gegeben, als Penzias und Wilson 1965 erstmals den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) maßen. Der CMB enthält Mikrowellenphotonen aus dem sehr frühen Universum. Nach der Periode von BBN und wenn sich das Universum ausreichend abgekühlt hatte, trat die Epoche der Rekombination auf. Vor diesem Moment war das frühe Universum eine Landschaft aus Baryon-Photon-Plasma, die in Gravitationspotentialtöpfen oszillierte. Die frühen Photonen wurden in einer Zeit der kosmischen Evolution erzeugt, in der Elektronen und Positronen mit einer solchen Frequenz vernichtet wurden, dass Photonen eine Milliarde zu eins mehr als Baryonen waren. Die ursprüngliche Mischung aus Baryonen, Photonen und Elektronen war undurchsichtig, da Photonen nicht sehr weit wandern konnten, ohne dass Thompson die Elektronen zerstreute. Während sich das Universum weiter abkühlte, wurden die Elektronen plötzlich von den frühen Kernen eingefangen, so dass die Photonen ungehindert durch das Universum strömen konnten. Der CMB ist eine Momentaufnahme dieser Photonen Momente nach der Rekombination. Es schien zunächst, dass die Intensität gleichmäßig war, und dies stützte die Ansicht, dass das Universum insgesamt homogen und isotrop war. Erst mit der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) wurden kleine Temperaturanisotropien festgestellt. Aufgrund dieser kleinen Temperaturschwankungen fügten die Wissenschaftler ihrer Theorie des Urknalls weitere Beweise hinzu. Die anfängliche kleinräumige räumliche Inhomogenität bei der Rekombination wurde. Diese Beobachtungen spiegeln sich im Winkelleistungsspektrum des CMB wider.

http://background.uchicago.edu/~whu/intermediate/intermediate.html

Der erste Peak in diesem Diagramm war der erste, der genau gemessen und lokalisiert wurde. Seine Entdeckung half, viele alternative kosmologische Ursprungsgeschichten zu eliminieren. Die verbleibende Erzählung war das Bild eines frühen Universums, das mit asymmetrisch oszillierendem Baryon-Photon-Plasma gefüllt war. Das Plasma wurde sowohl durch die Schwerkraft komprimiert als auch aufgrund des inneren Strahlungsphotonendrucks nach außen gedrückt. Der erste Peak stellt einen Fall von Gravitationskompression dar - und diese Schalldruckwelle breitete sich im gesamten Universum aus. Der Photonendruck nach außen, die Kompressionsstärke und das Verhältnis der Höhen der Peaks in der obigen Grafik hängen alle stark von der Baryonendichte ab. Die Messungen des zweiten und dritten Peaks haben dazu beigetragen, die Baryonendichte stark einzuschränken, und die jüngsten Messungen von 2015 aus der Planck-Kollaboration haben die Baryonensubstanz weiter eingeschränkt und die hochpräzise Dichtemessung von: 0,048 +/- 0,0005 des Verschlusses erhalten. Wenn man sich der frühen Vorstellung von dunkler Materie anschließt, die zum Gravitationspotential von Clustern beiträgt, dann eröffnen diese neuen Einschränkungen die Möglichkeit, dass die dunkle Masse nicht baryonisch sein könnte.

Großstruktur

Das Universum hat eine Vielzahl von Strukturen: von Superclustern, Filamenten, galaktischen Schichten bis zur Großen Mauer und dem Großen Attraktor. Diese großräumigen Strukturen wurden teilweise aufgrund von Störungen in der Dichte des sehr frühen Universums gebildet. Kleine Quantenvakuumschwankungen in den Augenblicken vor dem Urknall wurden während des Aufblasens erweitert und als große klassische Schwankungen eingefroren. Diese lieferten eine zugrunde liegende Gravitationsstruktur, die baryonische Materie anzog. Vor der Rekombinationsepoche konnten sich jedoch keine Strukturen bilden, da das Universum noch zu heiß und dicht war, um Elektronen einzufangen. Angesichts unseres derzeitigen Wissens über das Alter des Universums scheint es, dass viele der großen Strukturen keine Zeit gehabt hätten, aufzutreten, wenn sie sich erst nach der Rekombination bilden könnten.

Rückschluss auf die beste Erklärung

Die bisher skizzierten Beobachtungen weisen einige bemerkenswerte Gemeinsamkeiten auf. Auf der abstraktesten Ebene weisen sie auf eine Aufschlüsselung der Gesetze der Physik sowohl in großen Entfernungsskalen als auch in weit zurückliegenden Zeiten hin. Unsere Vorstellung von Schwerkraft funktioniert nicht mehr, wenn wir sie auf Galaxien, Cluster und die Dynamik des frühen Universums anwenden. Entweder muss sich unsere Formulierung der Schwerkraft ändern, oder es gibt etwas, von dem wir nicht sehen können, dass es zur Masse des Kosmos beiträgt. Bevor ich zu möglichen Erklärungen komme, möchte ich die bisher anomalen Beobachtungen kurz zusammenfassen:

· Galaxien innerhalb von Clustern bewegen sich zu schnell, um gravitativ gebunden zu bleiben

· Die Rotationskurven von Galaxien zeigen keinen Geschwindigkeitsabfall - Galaxien, die weit vom galaktischen Zentrum entfernt sind, bewegen sich zu schnell

· Die großräumigen Strukturen des Universums hätten angesichts unserer Häufigkeitsbeschränkungen für baryonische Materie und unseres aktuellen kosmologischen Bildes, das aus den CMB-Daten erhalten wurde, nicht genügend Zeit gehabt, sich zu bilden

Kurz gesagt: Wir sehen die Auswirkungen der Schwerkraft, wenn keine normale Materie vorhanden ist

MACHOs

Die natürlichste Lösung für das Problem der fehlenden galaktischen Masse besteht darin, dass Objekte mit geringer Leuchtkraft zum Gravitationsfeld von Galaxien und Clustern beitragen. Diese astrophysikalischen Objekte sind immer noch baryonisch und koppeln mit Photonen, geben jedoch so wenig Licht ab, dass unsere optischen Geräte einfach nicht leistungsfähig genug sind, um ihre Signale aufzunehmen. Diese Argumentation zwingt uns nicht dazu, von unseren aktuellen Modellen abzuweichen, und wird auch durch die Tatsache unterstützt, dass die meisten Baryonen des Universums dunkel sind und nicht berücksichtigt werden. Viel Aufmerksamkeit wurde kompakten Objekten mit geringer Leuchtkraft gewidmet, die umgangssprachlich als MACHOs (massive astrophysikalische kompakte Halo-Objekte) bezeichnet werden. Dazu gehören: Planeten, Braune Zwerge, Rote Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher. Eine Theorie des Intraclustergases wurde kurz unterhalten, aber 1971 wurde gezeigt, dass ein solches Gas nur eine vernachlässigbare Menge an Masse beitragen würde. Einer der Hauptfälle gegen MACHOs ist, dass sie möglicherweise nicht genügend Masse liefern können, um die Gravitationsanomalien zu erklären, die aufgrund der Einschränkungen der baryonischen Häufigkeit beobachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass angesichts der Einschränkungen nicht genügend Baryonen übrig sind, um eine signifikante Menge an Materie zu bilden. Das Thema dunkle Baryonen wurde beleuchtet, als das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA kürzlich entdeckte, dass sich viele von ihnen in Netzen aus heißem diffusem Gas befanden. Die Entdeckung des Warm-Hot Intergalactic Medium (WHIM) lieferte signifikante Beweise dafür, dass MACHOs das Problem der fehlenden Masse nicht lösen.

MOND

1982 schlug Mordehai Milgrom vor, dass in Galaxien keine Masse fehlt, stattdessen bricht die Newtonsche Dynamik unter einem bestimmten Beschleunigungswert zusammen. Bei großen Radien von einem galaktischen Zentrum ist die Beschleunigung durch die Schwerkraft so gering, dass wir in ein neues Regime eintreten, in dem das zweite Newtonsche Gesetz von F = ma in F = (ma ^ 2) / a0 geändert wird. Die treffend benannte modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) schlägt daher eine neue Grundkonstante vor: a0 = ∼ 1,2 × 10−10 m / (s ^ 2), der kritische Wert der Beschleunigung, der, wenn a << a0, den Zusammenbruch der Normalen bedeutet Himmelsmechanik. Dies eröffnete eine ganze Klasse von Theorien, die Rotationskurven zu erklären scheinen, ohne die Existenz unsichtbarer Materie zu postulieren. Die aktuelle Iteration dieser Theorie ist als TeVes (Tensor-Vektor-Skalar-Schwerkraft) bekannt - eine relativistische Version von MOND. Flache Rotationskurven werden durch diese Theorie erklärt, doch die Clusterdynamik und insbesondere die im Bullet Cluster auftretende Gravitationslinse bleiben unberücksichtigt. Darüber hinaus sollte der dritte Peak im CMB-Winkelleistungsspektrum abgesenkt und kleiner als der zweite sein - wir beobachten jedoch das Gegenteil. Ohne experimentelle Beweise bleiben jedoch Theorien der MOND-Klasse als mögliche Erklärung auf dem Tisch. MOND scheint in Verbindung mit partikulärer dunkler Materie auch die Gravitationsanomalien zu lösen.

Nicht-baryonische Teilchen der Dunklen Materie

Schließlich kommen wir zu einer der überzeugendsten Erklärungen. Der Grund dafür, dass Gravitationspotentiale von sichtbarer Materie intensiver sind als erwartet, liegt darin, dass ein nicht-baryonisches Teilchen existiert, das zur Materiedichte des Universums beiträgt. Ein solches Teilchen ist dunkel, weil es nicht mit dem Photon interagiert und daher die elektromagnetische Kraft nicht erfährt. Tatsächlich scheint die einzige Wechselwirkung, die es mit unserem aktuellen Standardmodell zu haben scheint, eine mögliche Kopplung an die Higgs zu sein, die ihm Masse verleiht. Bisher wurde ein solches exotisches Teilchen nicht nachgewiesen, es macht jedoch einen Großteil der zuvor beschriebenen Beobachtungsergebnisse aus. Wenn partikuläre dunkle Materie existieren würde, würde sie in Form von Halos gravitativ an Galaxien gebunden sein. Dies würde das hohe Verhältnis von Masse zu Licht erklären, das Astronomen geplagt hat, und das Gravitationspotential erklären, das erforderlich ist, um sowohl den Koma- als auch den Jungfrau-Cluster zu binden. Es wurde berechnet, dass die Verteilung der nicht-baryonischen Dunklen Materie in Form von ausgedehnten Lichthöfen vorliegt, die Galaxien umgeben und sich oft bis zu 100 kpc erstrecken. Dies würde die hohe Umlaufgeschwindigkeit von Objekten in der äußeren galaktischen Scheibe von M31 erklären - die fehlende Schwerkraft, die jetzt der umgebenden dunklen Materie zugeschrieben wird. Die Bullet Cluster-Kollision liefert hervorragende Beweise für partikuläre dunkle Materie. Da die Teilchen nicht elektromagnetisch interagieren, würde der jeweilige Lichthof jeder Galaxie ungehindert durch die anderen hindurchtreten. Die Existenz einer unbekannten subatomaren Spezies, die nur gravitativ interagiert, wird auch durch unsere aktuelle kosmologische Erzählung bestätigt. Während des frühen Universums würden sowohl baryonische als auch nicht-baryonische Materie von den Regionen mit hoher Gravitation angezogen. Die dunkle Materie wäre jedoch nicht am Baryon-Photon-Plasma beteiligt und würde tatsächlich eine zusätzliche Kraft während der Kompressionen bereitstellen. Dies würde dazu führen, dass die ungeraden Spitzen in unserem Leistungsspektrum dramatischer sind - genau das sehen wir in unserer ersten und dritten Spitze. Nicht-baryonische Teilchen könnten auch lange vor der Epoche der Rekombination beginnen, Strukturen zu bilden, und dies hilft, die großen Strukturen zu erklären, die wir heute sehen. Schließlich sind die Häufigkeitsbeschränkungen für baryonische Materie einer der stärksten Fälle für nicht-baryonische Dunkle Materie. Unter Verwendung der BBN- und WMAP-Argumente scheint nicht mehr genügend baryonische Materie übrig zu sein, um alle in unseren Beobachtungen vorhandenen Gravitationsanomalien zu erklären. Daher ist partikuläre nicht-baryonische Dunkle Materie eine attraktive Alternative zu den zuvor vorgestellten MOND-Argumenten.

Abschließende Gedanken

Wir haben diese Umfrage begonnen, indem wir den aktuellen Stand unserer besten wissenschaftlichen Theorien skizziert haben. Von Anfang an war klar, dass eine kohärente und einheitliche Darstellung sowohl der Gravitations- als auch der Quantenfeldtheorie noch nicht formuliert worden war. Unsere Probleme mit der Schwerkraft zeigten sich weiterhin, als ein theoretischer Zusammenbruch immer deutlicher wurde: Gravitationskräfte traten immer wieder an Orten auf, an denen keine baryonische Materie vorhanden war. Anschließend wurden weitere Fragen der Kosmologie aus der Landschaft des frühen Universums (wie aus WMAP bestimmt) und der Bildung großräumiger Strukturen im Universum aufgeworfen.

Da MACHOs systematisch unplausibel gemacht wurden, wurde die Theorie eines nicht-baryonischen subatomaren Teilchens immer beliebter. Es löst nicht nur alle in diesem Papier beschriebenen Probleme, sondern viele aktuelle Kandidaten erweitern den Umfang unseres Verständnisses erheblich. Supersymmetrie bietet eine Lösung, indem angenommen wird, dass der leichteste Superpartner (ein stabiles Teilchen, in das alle anderen supersymmetrischen Gegenstückteilchen zerfallen) sowohl reichlich vorhanden ist als auch die richtige Massenenergie aufweist. Eine andere Alternative ist eine Lösung für das starke CP-Problem, das bei der Untersuchung der starken Kernkraft auftritt, die als Quantenchromodynamik bekannt ist. Es wird behauptet, dass trotz fehlender Beobachtungsergebnisse die Ladungsparitätssymmetrie gebrochen werden sollte. Diese gebrochene Symmetrie würde die Existenz eines neuen Bosons implizieren, das Axion genannt wird. Ein solches Teilchen wäre aufgrund seiner berechneten Häufigkeit und seines Massenbereichs wiederum ein idealer Kandidat für die Dunkle Materie. Schwach wechselwirkende massive Partikel (WIMPs) sind die Klasse von Partikeln, zu denen eine nicht-baryonische Spezies gehört. Wie der Name schon sagt, haben alle diese Partikelkandidaten Masse und interagieren sehr subtil mit Baryonen des Standardmodells. Dies bietet einzigartige Herausforderungen bei Erkennungsversuchen. Bisher war jede Suche mit Empfindlichkeitsproblemen behaftet, und das Problem, Signal von Rauschen zu unterscheiden, ist sehr ausgeprägt. Da kein dominanter theoretischer Rahmen existiert, finden Erkennungsversuche innerhalb ihrer jeweiligen Modelle statt. Die SUSY-Anhänger suchen durch direkte Kernstreuungsereignisse nach dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen. Andere Experimente suchen nach jährlichen Modulationen der Häufigkeit dunkler Materie, basierend darauf, wo sich die Erde in ihrer Umlaufbahn um die Sonne befindet. Es muss noch viel Arbeit geleistet werden, bevor versucht wird, dunkle Materie zu beschleunigen oder indirekt durch Vernichtungsstrahlen zu detektieren. Dies ist eine aufregende Zeit in der Physik, da sich uns ein großes Rätsel gestellt hat. Das Universum hat uns erneut gezwungen, den Stand unseres Wissens neu zu bewerten. Obwohl wir sicher sind, dass unsere Theorien zu einem bestimmten Zeitpunkt zusammenbrechen, hat sich keine klare Alternative herausgebildet. Bis dahin müssen Wissenschaftler weiterhin auf ihre Geduld, ihren Fleiß und ihren Einfallsreichtum vertrauen.