Ein Überblick über Dunkle Materie

Quantenfelder, Schwerkraft und der Beweis für nicht-baryonische Teilchen

Eines der ältesten Projekte in der Wissenschaft besteht darin, eine grundlegende Ontologie zu konstruieren. Der Wissenschaftler möchte ein umfassendes Modell der Welt erstellen, 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 gegenwärtigen Theorien eine Neuartikulation erfordern. Eine bestimmte Klasse astronomischer Beobachtungen entzieht sich weiterhin der Erklärung, nämlich, dass in Regionen ohne sichtbare Materie starke Gravitationspotentiale vorhanden sind. Dieses Papier konzentriert sich auf die Einführung der primären Beweise, die diese Behauptungen stützen. Zunächst möchte ich jedoch kurz die Erklärungskraft unserer gegenwärtigen Theorien umreißen.

Teilchen und Felder

Quantenfeldtheorien gehören zu den erfolgreichsten Modellen des Universums. 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 zugrundeliegenden 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 Grafik ist eine der Krönungen der Physik. Sie listet siebzehn Klassen von Teilchen auf, die für fast alle bekannten Wechselwirkungen 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 werden als Fermionen bezeichnet, während Teilchen mit ganzzahligem Spin als Bosonen bezeichnet werden. Die starke, schwache und elektromagnetische Kraft werden alle als Wechselwirkungen zwischen Fermionen beschrieben, die durch den Austausch von Eichbosonen vermittelt werden. Die Schwerkraft wurde 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 Konsequenz dieser Formulierung ist das Gravitationslinsen. 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 wichtige Hinweise darauf 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 Teilchen 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 widmen sich den verschiedenen Konfigurationen dieser Materieform. Es wurde jedoch zunehmend plausibler, dass der Großteil der Materiedichte des Universums nicht-baryonisch ist. Diese Aussage wird durch die unerklärlich starken Gravitationspotentiale im Weltraum stark untermauert, und wir könnten bald gezwungen sein, über das Standardmodell hinauszugehen. Ich werde nun einen Überblick über die Beweise für diese Behauptung in der Größenordnung geben: Beginnen Sie auf der galaktischen Ebene, gehen Sie zu Clustern über und untersuchen Sie dann, wie diese Anomalie auf der Ebene des Universums im Allgemeinen fortbesteht.

Galaktische Rotationskurven

Spektroskopie

Die Fähigkeit der Astronomen, die chemische Zusammensetzung entfernter Sternobjekte zu bestimmen, beruht hauptsächlich auf einer Technik, die als Spektroskopie bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um eine Methode zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Materie und elektromagnetischer Strahlung. Bei der Anregung von Gasen wechseln die Elektronen zwischen verschiedenen Orbitalschalen und geben Energie in Form von Photonen ab. Die unterschiedlichen Energieniveaus gängiger Gase wie Wasserstoff und Helium sind bekannt und quantifiziert. Dies bedeutet, dass das Spektrum der sichtbaren Photonen, die von einem bestimmten Gas emittiert werden, ein eindeutiges und erkennbares Muster ergibt. Mit diesem Wissen sollten wir mit Blick auf Sterne und Planeten in der Lage sein, ihre Zusammensetzung anhand des Musters des sichtbaren Lichts zu bestimmen, das abgegeben wird. Es wurde jedoch beobachtet, dass das gesamte Emissionsspektrum entfernter Nebel rot verschoben 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 Bahngeschwindigkeit dieser Körper als Funktion der Entfernung vom Zentrum ergibt eine galaktische Rotationskurve. Wenn Sie sich vom Zentrum einer Galaxie entfernen, ist ein Kepler-Abfall zu erwarten. Die Umlaufgeschwindigkeit sollte anfänglich ansteigen und dann stetig abfallen, wenn der Radius größer wird. In Anbetracht dieser Beziehung scheint es einfach anzunehmen, dass Sie die Massenverteilung einer Galaxie aus ihrer Rotationskurve ableiten können. 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 seiner Dissertation von Horace Babcock aus dem Jahr 1939 konstruierte er eine Rotationskurve für die M31-Galaxie auf 20 kpc. Er bemerkte ungewöhnlich hohe Orbitalgeschwindigkeiten 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, um den ersten konkreten Beweis dafür zu erhalten, dass es eine unsichtbare Kraft gab, die das Abflachen der Rotationskurven verursachte. Schließlich maß Albert Bosma die Rotationskurven von 25 Galaxien, von denen alle eindeutig keinen Geschwindigkeitsabfall zeigten. Um das Problem zusammenzufassen: Angesichts der Anzahl der sichtbaren Himmelsobjekte, die zum Gravitationspotential der Galaxie beitragen, bewegten sich die äußeren Sterne viel zu schnell. Das Gravitationsfeld der Scheibe allein ist zu schwach, um die äußeren Sterne zu beschleunigen. 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

Coma Cluster und Virgo Cluster

Im Jahr 1933, als Fritz Zwicky einen Artikel mit dem Titel The Redshift of Extragalactic Nebulae veröffentlichte. Während er Beobachtungen am Coma Cluster machte, bemerkte er eine sehr große Radialgeschwindigkeitsstreuung unter acht seiner konstituierenden Galaxien. Die Streuung lag bei 1000 km / s - so hoch, dass man gespannt war, wie dieser scheinbar stabile Cluster gravitativ gebunden blieb. Während diese Dispersion zuvor von Edwin Hubble und Milton Humason im Jahr 1931 festgestellt worden war, ging Zwicky noch weiter und wandte das Viriale Theorem 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 ergab Zwicky, dass die Geschwindigkeitsdispersion eines mechanisch stabilen Coma-Clusters bei etwa 80 km / s liegen sollte. Diese Argumentation deckte die gesamte sichtbare Materie des Systems ab - daher ging er davon aus, dass möglicherweise eine große Dichte nicht leuchtender Materie dafür verantwortlich sein könnte. Er schließt mit der Feststellung, 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 Umrechnung in ein Verhältnis von Sonnenmasse zu Sonnenlicht, das als Masse-Licht-Verhältnis bezeichnet wird (unsere Sonne ist gleich eins). Dies ist wichtig, da wir unsere Sonne im Allgemeinen als Standardstern betrachten und daher das Verhältnis von Masse zu Licht für Sterne im Allgemeinen repräsentativ sein sollte. Dennoch erreichten sowohl Zwicky als auch Smith außergewöhnlich hohe Verhältnisse - mit Zwickys ursprünglicher Berechnung ergab sich ein Masse-zu-Licht-Verhältnis von etwa 500. Selbst nach korrekter Anpassung für galaktische Masen und einem genaueren Wert des Hubble-Parameters zeigten beide Messungen immer noch auf ein großes ungelöstes Problem. Die Community im Allgemeinen konnte jedoch immer noch nicht feststellen, ob einer der Cluster stabil war, was Zwickys Verwendung des Virial-Theorems ungültig machen würde. Erst viele Jahre später wurden diese Messungen mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt, was die anomalen Beobachtungen von Smith und Zwicky bestätigte.

Bullet Cluster

Im Jahr 2004 wurde die Kollision zweier Galaxienhaufen beobachtet. Die übliche Dynamik der Clusterkollision war vorherrschend, und es schien, dass der größte Teil der galaktischen Masse in Form von Röntgenstrahlen vorlag. 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 als Bullet Cluster bezeichneten Objekts tatsächlich in Regionen außerhalb der Kollisionsröntgenstrahlung konzentriert war. Zwischen dieser Messung, dem merkwürdigen Verhalten von Clustern und den nicht keplerischen Rotationskurven besteht kein Zweifel daran, dass unsere grundlegende Ontologie unvollständig ist. Ich werde nun untersuchen, wie sich diese Anomalie im großen Maßstab darstellt, und mich möglichen Erklärungen zuwenden.

Kosmologische Überflussbeschränkungen

Viele konvergierende Beweislinien wurden bei der Konstruktion unserer kosmischen Ursprungsgeschichte berücksichtigt. Unter Verwendung unserer bekannten Physik und Rückwärtsarbeiten können wir ein konsistentes Bild des frühen Universums ableiten. Die Beobachtung, dass sich das Universum derzeit ausdehnt, lässt uns natürlich glauben, dass sich, wenn wir weit genug zurückgehen, irgendwann alles zur selben Zeit am selben Ort befindet, was als Singularität bezeichnet wird. 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 präsentieren möchte, sind die Einschränkungen, die der Menge an baryonischer Materie im Universum auferlegt sind. Vor der genauen Messung der Mikrowellen-Hintergrundanisotropien war die Urknall-Nucleosynthese (BBN) das primäre Mittel zur Einschränkung der Baryonendichte. Mit spektroskopischen Methoden fanden Astronomen im Kosmos eine Fülle von Lichtnukleotiden 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 von diesen tatsächlich als Brennstoff verwendet werden. Es wurde bald festgestellt, dass etwa 25% der baryonischen Materiedichte des Universums Helium sind - und es gab keinen theoretischen Rahmen, der diese Beobachtungen stützen könnte. Die Arbeiten von Alpher, Bethe & Gamow aus dem Jahr 1948 werfen ein Licht auf eine Urform der Nukleosynthese. Sie stellten die Annahme auf, dass eine frühe Form der Neutroneneinfangung im Universum dazu beitrug, die Fülle der Lichtelemente zu erklären. Dies gab auch der Urknall-Sicht des Universums Glaubwürdigkeit - die besagt, 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 sich die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie entwickelte. 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, als dass Elektronen von Kernen eingefangen werden könnten). Da Sternbeobachtungen die Häufigkeit leichter Elemente 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 Deuterium-Häufigkeitsmessungen. Diese beschränkten baryonischen Häufigkeiten auf 2 +/- 0,2% der kritischen Dichte, um das Universum zu schließen.

Akustische Baryonenspitzen

Ein entscheidender Beweis für die Theorie des heißen und dichten Urknalls wurde erbracht, als Penzias und Wilson 1965 erstmals den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) gemessen haben. 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 Periode der kosmischen Evolution erzeugt, in der Elektronen und Positronen mit einer solchen Frequenz vernichtet wurden, dass die Photonen eine Milliarde zu einer Milliarde Baryonen überstiegen. Die ursprüngliche Mischung aus Baryonen, Photonen und Elektronen war undurchsichtig, da sich Photonen nicht sehr weit fortbewegen konnten, ohne dass Thompson die Elektronen zerstreute. Während sich das Universum weiter abkühlte, wurden die Elektronen plötzlich von den frühen Kernen eingefangen und ließen die Photonen ungehindert durch das Universum strömen. Das CMB ist eine Momentaufnahme dieser Photonen nach der Rekombination. Anfänglich schien die Intensität einheitlich zu sein, was die Ansicht bestätigte, dass das Universum insgesamt homogen und isotrop ist. Erst mit der Wilkinson-Mikrowellen-Anisotropiesonde (WMAP) wurden Anisotropien mit geringer Temperatur festgestellt. Aufgrund dieser kleinen Temperaturschwankungen fügten die Wissenschaftler ihrer Theorie des Urknalls weitere Beweise hinzu. Die anfängliche räumliche Inhomogenität im kleinen Maßstab bei der Rekombination wurde. Diese Beobachtung spiegelt sich im Winkelleistungsspektrum des CMB wider.

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

Der erste Peak in dieser Grafik war der erste, der präzise 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 internen Strahlungsphotonendrucks nach außen gedrückt. Der erste Peak repräsentiert eine Gravitationskompression - und diese Schalldruckwelle breitet sich im gesamten Universum aus. Der Druck der Photonen nach außen, die Stärke der Kompression und das Verhältnis der Höhen der Peaks in der obigen Grafik hängen stark von der Baryonendichte ab. Die Messungen des zweiten und dritten Peaks haben dazu beigetragen, die Baryonendichte stark einzuschränken, und die jüngsten Messungen aus dem Jahr 2015 der Planck-Kollaboration haben die Baryonensubstanz weiter eingeschränkt und ergeben eine hochpräzise Dichtemessung von: 0,048 +/- 0,0005 des Verschlusses. Wenn man die frühe Vorstellung von Dunkler Materie, die zum Gravitationspotential von Clustern beiträgt, unterschreibt, eröffnen diese neuen Beschränkungen 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 entstanden teilweise aufgrund von Störungen in der Dichte des sehr frühen Universums. Kleine Schwankungen des Quantenvakuums in den Momenten vor dem Urknall wurden während der Inflation ausgedehnt und als große klassische Schwankungen eingefroren. Diese lieferten eine zugrunde liegende Gravitationsstruktur, die baryonische Materie anzog. Vor der Rekombination 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 - es scheint, dass viele der großen Strukturen keine Zeit gehabt hätten, aufzutreten, wenn sie sich erst nach der Rekombination hätten bilden können.

Rückschluss auf die beste Erklärung

Die bisher skizzierten Beobachtungen weisen einige bemerkenswerte Gemeinsamkeiten auf. Auf der abstraktesten Ebene deuten sie auf einen Zusammenbruch der Gesetze der Physik auf beiden großen Entfernungsskalen und in einer Zeitreise in die Vergangenheit 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, das nicht zur Masse des Kosmos beiträgt. Bevor ich zu möglichen Erklärungen übergehe, möchte ich die 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 nicht genug Zeit gehabt, um sich zu formen, da die baryonische Materie in Hülle und Fülle eingeschränkt ist und unser aktuelles kosmologisches Bild aus den CMB-Daten gewonnen wird

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 es Objekte mit geringer Leuchtkraft gibt, die 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 stark genug sind, um ihre Signale aufzunehmen. Diese Argumentation zwingt uns nicht, von unseren aktuellen Modellen abzuweichen, und wird auch durch die Tatsache unterstützt, dass die meisten Baryonen des Universums dunkel und unerklärt sind. 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 beisteuern würde. Einer der Hauptgründe 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 die gesamte baryonische Materie, die wir sehen können, und angesichts der Einschränkungen nicht annähernd genug Baryonen übrig sind, um eine signifikante Menge an Materie zu bilden. Das Thema dunkler 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 es in Galaxien keine fehlende Masse gibt. Stattdessen bricht die Newtonsche Dynamik unter einem bestimmten Beschleunigungswert zusammen. Bei großen Radien von einem galaktischen Zentrum ist die Erdbeschleunigung so gering, dass wir in ein neues Regime eintreten, in dem Newtons zweiter Hauptsatz von F = ma in F = (ma ^ 2) / a0 geändert wird. Die treffend benannte Modified Newtonian Dynamics (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 von unsichtbarer Materie zu postulieren. Die derzeitige Iteration dieser Theorie ist als TeVes (Tensor-Vektor-Skalar-Gravitation) bekannt - eine relativistische Version von MOND. Flache Rotationskurven werden durch diese Theorie erklärt, die Clusterdynamik und insbesondere die im Bullet Cluster auftretende Gravitationslinse bleiben jedoch unberücksichtigt. Darüber hinaus sollte der 3. Peak im CMB-Winkelleistungsspektrum abgesenkt und kleiner als der zweite sein - wir beobachten jedoch das Gegenteil. Ohne experimentelle Beweise bleiben die MOND-Klassentheorien jedoch als mögliche Erklärung weiterhin auf dem Tisch. MOND scheint in Verbindung mit partikulärer dunkler Materie auch die Gravitationsanomalien zu lösen.

Nicht-Baryonische Dunkle Materie

Schließlich kommen wir zu einer der überzeugendsten Erklärungen. Der Grund dafür, dass das Gravitationspotential von sichtbarer Materie intensiver ist als erwartet, ist, dass es ein nicht-baryonisches Teilchen gibt, 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 mit unserem aktuellen Standardmodell 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, wäre sie gravitativ an Galaxien in Form von Halos gebunden. Dies würde die hohen Masse-zu-Licht-Verhältnisse erklären, die die Astronomen geplagt haben, und das Gravitationspotential erklären, das erforderlich ist, um sowohl den Koma-Cluster als auch den Jungfrau-Cluster zu binden. Die Verteilung der nicht-baryonischen Dunklen Materie wurde in Form ausgedehnter Halos berechnet, 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 wechselwirken, 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 an dem Baryon-Photon-Plasma beteiligt und würde tatsächlich eine zusätzliche Kraft während der Kompression bereitstellen. Dies würde bedeuten, dass die ungeraden Peaks in unserem Leistungsspektrum dramatischer sind - genau das sehen wir in unserem ersten und dritten Peak. Nicht-baryonische Teilchen könnten auch schon lange vor der Rekombination Strukturen bilden, was zur Erklärung der großen Strukturen beiträgt, die wir heute sehen. Einer der stärksten Fälle für nicht-baryonische dunkle Materie sind schließlich die Überflussbeschränkungen, die der baryonischen Materie auferlegt werden. Unter Verwendung der BBN- und WMAP-Argumente scheint nicht genügend baryonische Materie übrig zu sein, um alle in unseren Beobachtungen vorhandenen Gravitationsanomalien zu erklären. Partikelförmige nicht-baryonische Dunkle Materie ist daher eine attraktive Alternative zu den zuvor vorgestellten Argumenten von MOND.

Abschließende Gedanken

Zu Beginn dieser Umfrage haben wir den aktuellen Stand unserer besten wissenschaftlichen Theorien skizziert. Von Anfang an war klar, dass eine kohärente und einheitliche Darstellung sowohl der Gravitations- als auch der Quantenfeldtheorie noch nicht formuliert war. Unsere Probleme mit der Schwerkraft zeigten sich weiterhin, als ein theoretischer Zusammenbruch immer deutlicher wurde: An Orten, an denen keine baryonische Materie vorhanden war, traten weiterhin Gravitationskräfte auf. Weitere kosmologische Fragestellungen bezogen sich auf die Landschaft des frühen Universums (gemäß WMAP) und auf die Bildung großräumiger Strukturen im Universum.

Da MACHOs systematisch unplausibel gemacht wurden, wurde die Theorie eines nicht-baryonischen subatomaren Teilchens immer beliebter. Es löst nicht nur alle in diesem Artikel angesprochenen Probleme, sondern viele aktuelle Kandidaten erweitern den Umfang unseres Verständnisses erheblich. Supersymmetrie liefert eine Lösung, indem angenommen wird, dass der leichteste Superpartner (ein stabiles Partikel, in das alle anderen supersymmetrischen Gegenpartikel zerfallen) sowohl reichlich als auch von der richtigen Massenenergie ist. Eine andere Alternative ist eine Lösung für das starke CP-Problem, das bei der Untersuchung der als Quantenchromodynamik bekannten starken Kernkraft auftritt. Es wird behauptet, dass trotz fehlender Beobachtungsnachweise die Ladungsparitätssymmetrie gebrochen werden sollte. Diese gebrochene Symmetrie würde die Existenz eines neuen Bosons implizieren, das Axion genannt wird. Ein solches Teilchen wäre wiederum aufgrund seiner berechneten Häufigkeit und seines berechneten Massenbereichs ein idealer Kandidat für die Dunkle Materie. WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) 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, das Signal von Rauschen zu unterscheiden, ist sehr auffällig geworden. Da es keinen vorherrschenden theoretischen Rahmen gibt, finden Erkennungsversuche innerhalb ihrer jeweiligen Modelle statt. Die SUSY-Anhänger suchen durch direkte Streuung der Kerne nach dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen. Andere Experimente suchen nach jährlichen Modulationen der Dunklen Materie, basierend darauf, wo sich die Erde in ihrer Umlaufbahn um die Sonne befindet. Es muss noch viel Arbeit geleistet werden, bevor die Beschleunigerproduktion der Dunklen Materie oder die indirekte Detektion durch Vernichtungsstrahlen versucht werden kann. 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 zu überdenken. Obwohl wir sicher sind, dass unsere Theorien zu einem bestimmten Zeitpunkt zusammenbrechen, hat sich keine klare Alternative herauskristallisiert. Bis dahin müssen Wissenschaftler weiterhin auf ihre Geduld, ihren Fleiß und ihren Einfallsreichtum vertrauen.