Obwohl der Großteil der dunklen Materie in der Galaxie in einem riesigen Lichthof existiert, der uns umgibt, bildet jedes einzelne Teilchen der dunklen Materie unter dem Einfluss der Schwerkraft eine elliptische Umlaufbahn. Wenn dunkle Materie ihr eigenes Antiteilchen ist und wir lernen, wie man sie nutzt, kann sie die ultimative Quelle freier Energie sein. (ESO / L. Calçada)

Fragen Sie Ethan: Könnte Dunkle Materie überhaupt kein Teilchen sein?

Wir gehen immer davon aus, dass dunkle Materie partikelbasiert ist, und wir müssen nur herausfinden, um welches Partikel es sich handelt. Aber was ist, wenn es nicht so ist?

Alles, was wir jemals im Universum entdeckt haben, von Materie bis Strahlung, kann in seine kleinsten Bestandteile zerlegt werden. Alles auf dieser Welt besteht aus Atomen, die aus Kernen und Elektronen bestehen, während die Kerne selbst aus Quarks und Gluonen bestehen. Licht selbst besteht aus Teilchen: Photonen. Selbst Gravitationswellen bestehen theoretisch aus Gravitonen: Teilchen, die wir möglicherweise eines Tages erzeugen und erkennen können. Aber was ist mit dunkler Materie? Der indirekte Beweis für seine Existenz ist enorm und überwältigend, aber muss es auch ein Teilchen sein? Das will unser Patreon-Anhänger Darren Redfern wissen, als er fragt:

Wenn dunkle Energie als eine Energie interpretiert werden kann, die dem Raumgefüge selbst innewohnt, könnte es dann auch möglich sein, dass das, was wir als „dunkle Materie“ wahrnehmen, auch eine inhärente Funktion des Raums selbst ist - entweder eng oder lose an dunkle Energie gekoppelt? Das heißt, anstatt dass dunkle Materie partikulär ist, könnte sie den gesamten Raum mit (homogenen oder heterogenen) Gravitationseffekten durchdringen, die unsere Beobachtungen erklären würden - eher eine „dunkle Masse“?

Schauen wir uns die Beweise an und sehen wir, was sie uns über die Möglichkeiten sagen.

Die Ausdehnung (oder Kontraktion) des Raums ist eine notwendige Folge in einem Universum, das Massen enthält. Aber die Expansionsrate und wie sie sich im Laufe der Zeit verhält, hängt quantitativ davon ab, was sich in Ihrem Universum befindet. (NASA / WMAP-Wissenschaftsteam)

Eines der bemerkenswertesten Merkmale des Universums ist die Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen dem, was sich im Universum befindet, und der Veränderung der Expansionsrate im Laufe der Zeit. Durch eine Reihe sorgfältiger Messungen vieler unterschiedlicher Quellen - einschließlich Sterne, Galaxien, Supernovae, des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und der großräumigen Struktur des Universums - konnten wir beide messen und bestimmen, woraus unser Universum besteht von. Im Prinzip gibt es eine Reihe verschiedener Dinge, aus denen wir uns vorstellen können, dass unser Universum entstanden sein könnte, die alle die kosmische Expansion unterschiedlich beeinflussen.

Verschiedene Komponenten und Beiträge zur Energiedichte des Universums und wann sie dominieren könnten. Wenn kosmische Strings oder Domänenwände in nennenswerter Menge existieren würden, würden sie erheblich zur Expansion des Universums beitragen. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

Dank der vollständigen Suite unserer Daten wissen wir jetzt, dass wir aus:

  • 68% dunkle Energie, die auch bei Ausdehnung des Raums selbst auf einer konstanten Energiedichte bleibt,
  • 27% dunkle Materie, die eine Gravitationskraft ausübt, verdünnt sich mit zunehmendem Volumen und interagiert nicht messbar durch eine andere bekannte Kraft.
  • 4,9% normale Materie, die alle Kräfte ausübt, verdünnt sich mit zunehmendem Volumen, verklumpt und besteht aus Partikeln.
  • 0,1% Neutrinos, die eine gravitative und schwache Kraft ausüben, bestehen aus Partikeln und verklumpen nur dann, wenn sie sich so verlangsamen, dass sie sich als Materie statt als Strahlung verhalten.
  • und 0,01% Photonen, die Gravitations- und elektromagnetische Kräfte ausüben, wirken als Strahlung und verdünnen sich, wenn sowohl das Volumen zunimmt als auch seine Wellenlänge gedehnt wird.

Im Laufe der Zeit werden diese verschiedenen Komponenten relativ mehr oder weniger wichtig, wobei diese Prozentsätze das darstellen, woraus das Universum heute besteht.

Ein Diagramm der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) gegen die Entfernung (x-Achse) stimmt mit einem Universum überein, das sich in der Vergangenheit schneller ausgedehnt hat, sich aber heute noch ausdehnt. Dies ist eine moderne Version von Hubbles Originalwerk, die sich tausendfach weiter erstreckt. Die verschiedenen Kurven stellen Universen dar, die aus verschiedenen Bestandteilen bestehen. (Ned Wright, basierend auf den neuesten Daten von Betoule et al. (2014))

Dunkle Energie scheint nach den besten unserer Messungen an jedem Ort im Raum, in alle Richtungen am Himmel und zu allen Zeitpunkten in unserer kosmischen Geschichte den gleichen Wert und die gleichen Eigenschaften zu haben. Mit anderen Worten, dunkle Energie erscheint sowohl homogen als auch isotrop: Sie ist überall und jederzeit gleich. Soweit wir wissen, muss dunkle Energie kein Teilchen haben. es kann leicht eine Eigenschaft sein, die der Struktur des Raumes selbst innewohnt.

Dunkle Materie ist jedoch grundlegend anders.

Auf den größten Skalen kann die Art und Weise, wie sich Galaxien beobachtend zusammenballen (blau und lila), nicht durch Simulationen (rot) verglichen werden, es sei denn, dunkle Materie ist enthalten. (Gerard Lemson & das Virgo Consortium, mit Daten von SDSS, 2dFGRS und der Millennium Simulation)

Um die Struktur zu bilden, die wir im Universum sehen, insbesondere auf großen kosmischen Skalen, muss dunkle Materie nicht nur existieren, sondern zusammenklumpen. Es kann nicht an jedem Ort im Raum die gleiche Dichte haben; Vielmehr muss es in überdichten Regionen konzentriert sein und eine unterdurchschnittliche Dichte aufweisen oder in unterdichten Regionen sogar vollständig fehlen. Anhand einiger Beobachtungen können wir tatsächlich erkennen, wie viel Gesamtmaterie sich in einer Vielzahl von Regionen des Weltraums befindet. Was folgt, sind drei der wichtigsten.

Die großräumigen Clusterdaten (Punkte) und die Vorhersage eines Universums mit 85% dunkler Materie und 15% normaler Materie (durchgezogene Linie) stimmen unglaublich gut überein. Das Fehlen eines Grenzwerts zeigt die Temperatur (und Kälte) der dunklen Materie an; Die Größe der Wackelbewegungen gibt das Verhältnis von normaler Materie zu dunkler Materie an. (L. Anderson et al. (2012) für die Sloan Digital Sky Survey)

1.) Das Materie-Leistungsspektrum: Kartieren Sie die Materie im Universum, sehen Sie, auf welchen Skalen Galaxien korrelieren - ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, eine andere Galaxie in einer bestimmten Entfernung von der zu finden, mit der Sie beginnen - und zeichnen Sie sie auf. Wenn Sie ein Universum hätten, das aus einheitlicher Materie besteht, würde die Struktur, die Sie sehen würden, verschmiert. Wenn Sie ein Universum mit dunkler Materie hätten, das nicht früh verklumpt, würde die Struktur auf den kleinen Schuppen zerstört. Dieses Materie-Leistungsspektrum lehrt uns, dass ungefähr 85% der Materie im Universum dunkle Materie ist, völlig verschieden von Protonen, Neutronen und Elektronen, und diese dunkle Materie wurde kalt in der Temperatur oder mit einer kinetischen Energie geboren, die im Vergleich zu klein war seine Ruhemasse.

Die Massenverteilung des durch Gravitationslinsen rekonstruierten Clusters Abell 370. zeigt zwei große, diffuse Massenhalos, die mit der dunklen Materie übereinstimmen, mit zwei verschmelzenden Clustern, um das zu erzeugen, was wir hier sehen. Um und durch jede Galaxie, jeden Cluster und jede massive Ansammlung normaler Materie existiert insgesamt fünfmal so viel dunkle Materie. (NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz), R. Massey (Durham University, Großbritannien), Hubble SM4 ERO Team und ST-ECF)

2.) Gravitationslinse: Sehen Sie sich ein massives Objekt wie einen Quasar, eine Galaxie oder einen Galaxienhaufen an und sehen Sie, wie das Hintergrundlicht durch seine Anwesenheit verzerrt wird. Da wir die Gesetze der Schwerkraft verstehen, die von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bestimmt werden, können wir durch die Art und Weise, wie sich das Licht biegt, schließen, wie viel Masse in jedem Objekt vorhanden ist. Durch eine Reihe anderer Methoden können wir die Menge an Masse bestimmen, die in normaler Materie vorhanden ist: Sterne, Gas, Staub, Schwarze Löcher, Plasma usw. Wiederum stellen wir fest, dass durchschnittlich 85% der vorhandenen Materie vorhanden sein müssen sei dunkle Materie und darüber hinaus, dass sie in einer diffuseren, wolkenähnlichen Konfiguration verteilt ist als die normale Materie. Sowohl schwache als auch starke Linsen bestätigen dies.

Die Struktur der CMB-Peaks ändert sich abhängig davon, was sich im Universum befindet. (W. Hu und S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40: 171–216,2002)

3.) Der kosmische Mikrowellenhintergrund: Wenn Sie das übrig gebliebene Strahlenlicht des Urknalls betrachten, werden Sie feststellen, dass es ungefähr gleichmäßig ist: 2,725 K in alle Richtungen. Wenn Sie jedoch genauer hinschauen, werden Sie feststellen, dass die Skalen von zehn bis hundert µK auf allen Arten von Winkelskalen winzige Unvollkommenheiten aufweisen. Diese Schwankungen sagen uns eine Menge wichtiger Dinge aus, einschließlich der normalen Materie / Dunklen Materie / Dunklen Energiedichten, aber das Größte, was sie uns sagen, ist, wie einheitlich das Universum war, als es nur 0,003% seines gegenwärtigen Alters betrug, und die Antwort lautet dass der dichteste Bereich nur etwa 0,01% dichter war als der am wenigsten dichte Bereich. Mit anderen Worten, dunkle Materie begann einheitlich und verklumpte sich dann im Laufe der Zeit!

Ein detaillierter Blick auf das Universum zeigt, dass es aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, dass dunkle Materie und dunkle Energie erforderlich sind und dass wir den Ursprung eines dieser Geheimnisse nicht kennen. Die Schwankungen im CMB, die Bildung und Korrelationen zwischen großräumiger Struktur und modernen Beobachtungen von Gravitationslinsen deuten jedoch alle auf dasselbe Bild hin (Chris Blake und Sam Moorfield).

Wenn wir all dies zusammenfassen, kommen wir zu dem Schluss, dass sich dunkle Materie wie eine Flüssigkeit verhalten muss, die das Universum durchdringt. Diese Flüssigkeit hat einen vernachlässigbar geringen Druck und eine vernachlässigbar geringe Viskosität, reagiert auf Strahlungsdruck, kollidiert nicht mit Photonen oder normaler Materie, wurde kalt und nicht relativistisch geboren und verklumpt unter der Kraft ihrer eigenen Schwerkraft im Laufe der Zeit . Es treibt die Strukturbildung im Universum auf den größten Skalen voran. Es ist sehr inhomogen, wobei das Ausmaß dieser Inhomogenitäten mit der Zeit zunimmt.

Das können wir in großem Maßstab dazu sagen, wo es mit Beobachtung zusammenhängt. Bei kleinen Maßstäben vermuten wir - sind uns aber nicht sicher -, dass dunkle Materie aus Partikeln besteht, deren Eigenschaften dazu führen, dass sie sich bei großen Maßstäben so verhält. Der Grund, warum wir dies annehmen, ist, dass das Universum nach unserem besten Wissen einfach aus Teilchen besteht, Ende der Geschichte! Wenn Sie Materie sind und wenn Sie Masse haben, haben Sie ein Quantengegenstück, und das bedeutet ein unteilbares Teilchen auf einer bestimmten Ebene. Aber bis wir dieses Teilchen direkt erfassen, gibt es keine Möglichkeit, die andere Möglichkeit auszuschließen: dass dies eine Art Fluidfeld ist, das nicht auf Teilchen basiert, aber die Raumzeit auf die gleiche Weise beeinflusst wie ein aggregierter Satz von Teilchen.

Die Einschränkungen der dunklen WIMP-Materie sind experimentell ziemlich streng. Die niedrigste Kurve schließt WIMP-Querschnitte (schwach wechselwirkende massive Partikel) und Massen der Dunklen Materie für alles aus, was sich darüber befindet. (Xenon-100 Collaboration (2012), über http://arxiv.org/abs/1207.5988)

Deshalb sind Versuche der direkten Erkennung so wichtig! Als Theoretiker selbst, der seinen Ph.D. Ich bin mir bewusst, dass das, was wir tun können, unglaublich leistungsfähig ist, um Observable vorherzusagen, insbesondere im großen Maßstab. Was wir theoretisch nicht tun können, ist zu bestätigen, ob dunkle Materie ein Teilchen ist oder nicht. Der einzige Weg, dies zu tun, ist die direkte Erkennung. Ohne sie können Sie starke indirekte Beweise haben, aber es wird nicht kugelsicher sein. Es scheint in keiner Weise an dunkle Energie gekoppelt zu sein, da dunkle Energie im Raum wirklich gleichmäßig ist und die Vorhersagen in großem Maßstab uns sagen, wie sie gravitativ und durch die anderen Kräfte ziemlich genau interagiert.

Ströme dunkler Materie treiben die Häufung von Galaxien und die Bildung einer großräumigen Struktur voran, wie in dieser KIPAC / Stanford-Simulation gezeigt. (O. Hahn und T. Abel (Simulation); Ralf Kaehler (Visualisierung))

Aber ist es ein Teilchen? Bis wir eine entdecken, können wir nur die Antwort annehmen. Das Universum hat sich in Bezug auf jede andere Form von Materie als Quantennatur erwiesen, daher ist es vernünftig anzunehmen, dass dies auch für dunkle Materie der Fall ist. Beachten Sie jedoch, dass das Denken auf diese Weise seine Grenzen hat. Immerhin folgt alles der gleichen Regel, alles andere folgt, aber nur bis sie es nicht mehr tun! Wir sind in Neuland mit dunkler Materie und es ist wichtig, vor den großen Unbekannten in diesem Universum demütig zu sein.

Senden Sie Ihre Fragen an Ethan an Startwithabang bei gmail dot com!

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.