Obwohl der Großteil der dunklen Materie in der Galaxie in einem riesigen Lichthof vorliegt, 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 es nutzt, kann es die ultimative Quelle für freie 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 nachweisen können. Aber was ist mit dunkler Materie? Der indirekte Beweis für seine Existenz ist enorm und überwältigend, aber muss es auch ein Partikel sein? Das möchte unser Patreon-Anhänger Darren Redfern wissen, als er fragt:

Wenn dunkle Energie als eine Energie interpretiert werden kann, die dem Raum selbst innewohnt, könnte es auch möglich sein, dass das, was wir als „dunkle Materie“ wahrnehmen, eine inhärente Funktion des Raums selbst ist - entweder eng oder locker gekoppelt mit dunkler Energie? 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, was sie über die Möglichkeiten aussagen.

Die Expansion (oder Kontraktion) des Raumes ist eine notwendige Konsequenz in einem Universum, das Massen enthält. Die Expansionsrate und das zeitliche Verhalten hängen jedoch 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 wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit ändert. Durch eine Reihe sorgfältiger Messungen vieler unterschiedlicher Quellen - darunter Sterne, Galaxien, Supernovae, der kosmische Mikrowellenhintergrund und die großräumige Struktur des Universums - konnten wir beides messen und bestimmen, woraus unser Universum besteht von. Im Prinzip gibt es eine Menge verschiedener Dinge, die wir uns vorstellen können, aus denen unser Universum gemacht sein könnte, die alle die kosmische Expansion unterschiedlich beeinflussen.

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

Dank der vollständigen Sammlung unserer Daten wissen wir jetzt, dass wir aus folgenden Elementen bestehen:

  • 68% dunkle Energie, die auch bei räumlicher Ausdehnung eine konstante Energiedichte aufweist,
  • 27% dunkle Materie, die eine Gravitationskraft ausübt, verdünnt sich mit zunehmendem Volumen und interagiert nicht messbar mit einer anderen bekannten Kraft.
  • 4,9% normale Materie, die alle Kräfte ausübt, verdünnt sich mit zunehmendem Volumen, klumpt zusammen und setzt sich aus Partikeln zusammen.
  • 0,1% Neutrinos, die eine schwerwiegende und schwache Kraft ausüben, bestehen aus Partikeln und klumpen nur dann zusammen, wenn sie langsamer werden als Materie und nicht als Strahlung.
  • und 0,01% Photonen, die Gravitations- und elektromagnetische Kräfte ausüben, wirken als Strahlung und verdünnen sich, wenn sowohl das Volumen zunimmt als auch die Wellenlänge gedehnt wird.

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

Eine grafische Darstellung der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) in Abhängigkeit von der Entfernung (x-Achse) stimmt mit einem Universum überein, das in der Vergangenheit schneller expandierte, sich aber heute noch ausdehnt. Dies ist eine moderne Version von Hubbles Originalwerk, die tausende Male weiter reicht. 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 unseren besten Messungen an jedem Ort im Raum, in allen Himmelsrichtungen und in allen Momenten 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. Wie wir wissen, muss dunkle Energie kein Teilchen haben. es kann leicht eine Eigenschaft sein, die dem Raumgefüge selbst innewohnt.

Dunkle Materie ist jedoch grundlegend anders.

Auf den größten Skalen kann die Art und Weise, wie sich Galaxien beobachtungsgemäß zusammenballen (blau und lila), nur durch Simulationen (rot) erreicht werden, wenn dunkle Materie einbezogen wird. (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 sie muss zusammenklumpen. Es kann nicht an jedem Ort im Raum die gleiche Dichte haben. Vielmehr muss es sich auf Regionen mit hoher Bevölkerungsdichte konzentrieren und muss unterdurchschnittlich dicht sein oder in Regionen mit niedriger Bevölkerungsdichte sogar ganz fehlen. Wir können tatsächlich anhand einiger verschiedener Beobachtungen feststellen, wie viel Gesamtmaterie sich in einer Vielzahl von Regionen des Raums befindet. Was folgt, sind drei der wichtigsten.

Die großen Clusterdaten (Punkte) und die Vorhersage eines Universums mit 85% dunkler Materie und 15% normaler Materie (durchgezogene Linie) stimmen unglaublich gut überein. Das Fehlen einer Abschaltung zeigt die Temperatur (und Kälte) der dunklen Materie an; Die Größe der Wackelbewegungen gibt das Verhältnis von normaler 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, und stellen Sie fest, in welchen Maßstäben Galaxien korrelieren - ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, eine andere Galaxie in einer bestimmten Entfernung von derjenigen 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, verwischt. Wenn Sie ein Universum mit dunkler Materie hätten, das sich nicht früh verklumpt, würde die Struktur auf den kleinen Skalen zerstört. Dieses Materieleistungsspektrum lehrt uns, dass ungefähr 85% der Materie im Universum dunkle Materie ist, die sich vollständig von Protonen, Neutronen und Elektronen unterscheidet, und dass diese dunkle Materie bei kalter Temperatur oder mit einer kinetischen Energie geboren wurde, die im Vergleich zu klein war seine Ruhemasse.

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

2.) Gravitationslinsen: Betrachten Sie ein massives Objekt wie einen Quasar, eine Galaxie oder einen Galaxienhaufen 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 anhand der Art und Weise, wie sich das Licht biegt, ableiten, wie viel Masse in jedem Objekt vorhanden ist. Durch eine Reihe anderer Methoden können wir die Menge der Masse bestimmen, die in normaler Materie vorhanden ist: Sterne, Gas, Staub, Schwarze Löcher, Plasma usw. Auch hier stellen wir fest, dass durchschnittlich 85% der Materie vorhanden sind 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 je nach dem, 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 Strahlenbündel des Urknalls betrachten, werden Sie feststellen, dass es ungefähr gleichförmig ist: 2,725 K in alle Richtungen. Wenn Sie jedoch genauer hinschauen, werden Sie feststellen, dass auf den Skalen von 10 bis 100 µK und auf allen möglichen Winkelskalen winzige Unvollkommenheiten vorliegen. Diese Schwankungen sagen uns eine Menge wichtiger Dinge, einschließlich der normalen Materie- / Dunklen-Materie- / Dunklen-Energie-Dichten, aber das Wichtigste, 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 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 benötigt werden und dass wir den Ursprung dieser Mysterien nicht kennen. Die Fluktuationen in der CMB, die Bildung und Korrelation zwischen großräumigen Strukturen und modernen Beobachtungen der Gravitationslinse 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 im Laufe der Zeit unter der Kraft ihrer eigenen Schwerkraft . 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 ist es, was wir in großem Maßstab darüber sagen können, wo es mit der Beobachtung zusammenhängt. Auf kleinen Skalen vermuten wir - sind uns aber nicht sicher -, dass dies daran liegt, dass dunkle Materie aus Partikeln besteht, deren Eigenschaften bewirken, dass sie sich auf großen Skalen so verhält. Wir gehen davon aus, dass das Universum nach unserem besten Wissen einfach aus Partikeln besteht, Ende der Geschichte! Wenn Sie eine Rolle spielen und wenn Sie Masse haben, haben Sie ein Quanten-Gegenstück, und das bedeutet ein unteilbares Teilchen auf einer bestimmten Ebene. Aber bis wir dieses Teilchen direkt entdecken, gibt es keine Möglichkeit, die andere Möglichkeit auszuschließen: dass dies eine Art Fluidfeld ist, das nicht auf Teilchen basiert, aber die Raumzeit auf dieselbe Weise beeinflusst, wie ein Aggregatsatz von Teilchen.

Experimentell sind die Einschränkungen für die dunkle WIMP-Materie ziemlich schwerwiegend. Die niedrigste Kurve schließt WIMP-Querschnitte (schwach wechselwirkende massive Partikel) und Massen der dunklen Materie für alle darüber befindlichen Objekte aus. (Xenon-100 Collaboration (2012), über http://arxiv.org/abs/1207.5988)

Aus diesem Grund sind Versuche zur direkten Erkennung so wichtig! Als Theoretiker selbst, der seinen Ph.D. Ich bin mir durchaus bewusst, dass das, was wir tun können, unglaublich leistungsfähig ist, um Observablen, insbesondere in großem Maßstab, vorherzusagen. Theoretisch können wir jedoch nicht bestätigen, ob dunkle Materie ein Teilchen ist oder nicht. Die einzige Möglichkeit, dies zu tun, ist die direkte Erkennung. ohne sie können Sie starke indirekte Beweise haben, aber sie sind nicht kugelsicher. Es scheint in keiner Weise an die Dunkle Energie gekoppelt zu sein, da die Dunkle Energie im gesamten Raum wirklich einheitlich ist und die Vorhersagen auf großen Skalen uns zeigen, wie sie gravitativ und durch die anderen Kräfte ziemlich genau zusammenwirkt.

Ströme dunkler Materie treiben die Anhäufung von Galaxien und die Bildung großräumiger Strukturen 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 quantenhaft erwiesen, daher ist es vernünftig anzunehmen, dass dies auch für dunkle Materie gilt. Denken Sie jedoch daran, dass die Argumentation auf diese Weise ihre Grenzen hat. Immerhin folgt alles der gleichen Regel, alles andere folgt, aber nur bis sie es nicht mehr tun! Wir befinden uns mit dunkler Materie in Neuland und es ist wichtig, vor den großen Unbekannten in diesem Universum demütig zu sein.

Senden Sie Ihre Ask Ethan-Fragen an startswithabang at gmail dot com!

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