Ein klumpiger Lichthof aus dunkler Materie mit variierender Dichte und einer sehr großen, diffusen Struktur, wie durch Simulationen vorhergesagt, wobei der leuchtende Teil der Galaxie skaliert ist. Da dunkle Materie überall ist, sollte sie auch in unserem Sonnensystem vorhanden sein. Warum haben wir es noch nicht gesehen? (NASA, ESA und T. Brown und J. Tumlinson (STScI))

Fragen Sie Ethan: Wenn Dunkle Materie überall ist, warum haben wir sie nicht in unserem Sonnensystem entdeckt?

Es ist die erste, naivste Frage, die Sie sich stellen könnten. Die Lösung ist viel komplizierter als Sie sich vorstellen.

Einer großen Menge von Beweisen zufolge besteht die überwiegende Mehrheit des Universums aus einer mysteriösen Art von Masse, die wir nie direkt gemessen haben. Während Protonen, Neutronen und Elektronen - und im Übrigen alle Materie aus Teilchen des Physik-Standardmodells - die Planeten, Sterne und Galaxien ausmachen, die wir im gesamten Universum finden, machen sie nur 15% der Gesamtmenge des Universums aus Masse. Der Rest besteht aus etwas völlig anderem: kalter dunkler Materie. Aber wenn diese dunkle Materie überall und so zahlreich ist, warum haben wir sie nicht in unserem Sonnensystem gesehen? Das ist die Frage von Bob Lipp, der wissen möchte:

Alle Beweise für dunkle Materie und dunkle Energie scheinen weit draußen im Kosmos zu sein. Es scheint sehr verdächtig, dass wir hier in unserem eigenen Sonnensystem keine Beweise dafür finden. Niemand hat jemals eine Anomalie in den Umlaufbahnen der Planeten gemeldet. Diese wurden jedoch alle sehr genau gemessen. Wenn das Universum zu 95% dunkel ist, sollten die Effekte lokal messbar sein.

Sollte das so sein? Dies war einer der ersten Gedanken, die ich hatte, als ich vor 17 Jahren zum ersten Mal etwas über dunkle Materie lernte. Untersuchen wir und finden Sie die Wahrheit heraus.

Das kosmische Netz der Dunklen Materie und die großräumige Struktur, die es bildet. Normale Materie ist vorhanden, macht aber nur 1/6 der gesamten Materie aus. Das andere Fünftel ist dunkle Materie, und keine Menge normaler Materie wird diese loswerden. (Die Millenniumsimulation, V. Springel et al.)

Die große Idee der Dunklen Materie ist, dass sich irgendwann im sehr jungen Universum, bevor wir Galaxien, Sterne oder sogar neutrale Atome bildeten, ein fast perfekt glattes Meer dunkler Materie darin ausbreitete. Im Laufe der Zeit durchlaufen die Gravitation und die anderen Kräfte eine Reihe miteinander verbundener Schritte:

  • die ganze Materie, normal und dunkel, zieht die Schwerkraft an,
  • die Regionen mit überdurchschnittlicher Dichte wachsen und ziehen bevorzugt beide Materietypen an,
  • die Strahlung stößt gegen die normale Materie zurück und kollidiert mit ihr,
  • aber nicht die dunkle Materie, zumindest nicht auf die gleiche Weise.

Dies erzeugt ein ganz besonderes Muster von Über- und Unterdichten im Universum. Ein Muster, das sich beim Blick auf den Cosmic Microwave Background (CMB) zeigt.

Die Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund sind von so geringem Ausmaß und von so besonderem Muster, dass sie stark darauf hinweisen, dass das Universum überall mit der gleichen Temperatur begann und insbesondere Anteile an Dunkler Materie, Normaler Materie und Dunkler Energie enthält. (ESA und die Planck-Zusammenarbeit)

Der CMB ist das übrig gebliebene Glühen des Urknalls: Die Strahlung, die direkt zu unseren Augen gelangt, sobald sich neutrale Atome erst stabil bilden. Was wir heute sehen, ist eine Momentaufnahme des Universums beim Übergang von einem ionisierten Plasma zu einer elektrisch neutralen Gruppe von Atomen, bei der dieser Strahlungsrückstoß vernachlässigbar wird. Die kalten Stellen entsprechen Regionen mit hoher Dichte, da die Strahlung (überdurchschnittlich) zusätzliche Energie verbrauchen muss, um aus dem Gravitationsbrunnen herauszuklettern, in dem sie sich befindet. Die Krisenherde sind ähnlich unterlastete Regionen.

Die Regionen mit Über-, Durchschnitts- und Unterdichte, die existierten, als das Universum noch 380.000 Jahre alt war, entsprechen jetzt Kälte-, Durchschnitts- und Hotspots in der CMB. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

Das Muster der kalten und heißen Punkte auf allen Skalen, die wir beobachten können, sowie ihre Korrelation zeigen, woraus das Universum besteht: 68% dunkle Energie, 27% dunkle Materie und 5% normale Materie. Im Laufe der Zeit werden diese Regionen dann zu Sternen, Sternhaufen, Galaxien und Galaxienhaufen, während die Regionen unter der Dichte ihre Materie an die sie umgebenden Regionen abgeben. Obwohl es nur die normale Materie ist, die wir aufgrund ihrer Erzeugung und Wechselwirkung mit Licht und anderen Strahlungsformen sehen können, ist die dunkle Materie die dominierende Kraft, die für das Gravitationswachstum der Struktur im Universum verantwortlich ist.

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 im CMB, die Bildung und Korrelationen zwischen großräumigen Strukturen und modernen Beobachtungen der Gravitationslinse deuten jedoch alle auf dasselbe Bild hin. (Chris Blake und Sam Moorfield)

Da normale Materie auch mit sich selbst interagiert, verhält sich der Gravitationskollaps für normale Materie anders als für dunkle Materie. Wenn sich ein Klumpen normaler Materie ansammelt, beginnt er zu kollabieren. Der Kollaps tritt zuerst in der kürzesten Dimension auf, aber normale Materie interagiert und kollidiert mit anderen Partikeln normaler Materie, so wie Ihre Hände, auch wenn Atome größtenteils ein leerer Raum sind, zusammen „klatschen“, wenn Sie versuchen, sie durcheinander zu bringen. Dies erzeugt eine Materiescheibe, die sich dann dreht: Dies ist der Ursprung von allem, von Scheibengalaxien (Spiralgalaxien) bis zu Sonnensystemen, deren Planeten in einer Ebene umkreisen. Die dunkle Materie dagegen kollidiert weder mit sich selbst noch mit normaler Materie, was bedeutet, dass sie in einem sehr großen, extrem diffusen Lichthof verbleibt. Auch wenn es mehr dunkle Materie als normale Materie gibt, ist ihre Dichte beispielsweise in unserer Galaxie dort viel geringer, wo Objekte wie Sterne gefunden werden.

Der Lichthof der dunklen Materie um unsere Galaxie sollte unterschiedliche Wechselwirkungswahrscheinlichkeiten aufweisen, wenn die Erde die Sonne umkreist und unsere Bewegung durch die dunkle Materie in unserer Galaxie variiert. (ESO / L. Calçada)

Nun kommen wir zu der großen Frage. Was ist mit der Wirkung dunkler Materie auf das Sonnensystem? Ein großer Teil dessen, was Sie wahrscheinlich denken, ist wahr: Wir sollten Teilchen der dunklen Materie überall durch den Weltraum fliegen lassen, auch in unserer Milchstraße. Es bedeutet, dass es dunkle Materie in unserem Sonnensystem, in unserer Sonne geben sollte, die durch unseren Planeten und sogar in unseren Körpern wandert. Die große Frage, die Sie sich stellen müssen, lautet: Was ist im Vergleich zu den Massen der Sonne, den Planeten und den anderen Objekten in unserem Sonnensystem die relevante, interessante Masse aufgrund der dunklen Materie?

Im Sonnensystem bestimmt die Sonne in erster Näherung die Umlaufbahnen der Planeten. In zweiter Näherung spielen alle anderen Massen (wie Planeten, Monde, Asteroiden usw.) eine große Rolle. Aber um dunkle Materie hinzuzufügen, müssten wir unglaublich sensibel werden. (Wikipedia-Benutzer Dreg743)

Um dies zu beantworten, müssen wir zuerst verstehen, was die Umlaufbahnen von Objekten in unserem Sonnensystem bestimmt. Die Sonne ist bei weitem die dominierende Masse im Sonnensystem. In hervorragender Näherung werden die Umlaufbahnen der Planeten bestimmt. Aber für die Venus ist der Planet Merkur im Inneren; Die Umlaufbahn der Venus wird in erster Näherung durch die kombinierten Massen von Sonne und Merkur bestimmt. Für Jupiter wird seine Umlaufbahn von der Sonne sowie den inneren, felsigen Planeten und dem Asteroidengürtel bestimmt. Und für jedes umlaufende Objekt im Allgemeinen wird seine Umlaufbahn durch die Gesamtmasse bestimmt, die von einer imaginären Kugel umgeben ist, die auf der Sonne zentriert ist, wobei sich dieses Objekt am Rand der Kugel befindet.

Wenn Sie in der Allgemeinen Relativitätstheorie eine gleichmäßige Verteilung der Dunklen Materie (oder einer beliebigen Form von Masse) im gesamten Raum haben, beeinflusst nur die Masse, die von dem jeweiligen System, das Sie umkreisen, eingeschlossen ist, Ihre Bewegung. die einheitliche Masse draußen spielt keine Rolle. (Mark Whittle von der University of Virginia)

Wenn es ein Meer aus dunkler Materie gibt, das den Weltraum durchdringt, in dem wir uns befinden, sollten die äußeren Planeten eine etwas andere (größere) Masse sehen als die inneren Planeten. Und wenn es genug dunkle Materie gibt, sollte sie nachweisbar sein. Da wir die Masse der Milchstraße, die relativen Dichten der normalen und der dunklen Materie kennen und Simulationen haben, die uns sagen, wie sich die Dichte der dunklen Materie verhalten sollte, können wir einige sehr gute Schätzungen erstellen. Wenn Sie diese Berechnungen durchführen, stellen Sie fest, dass ungefähr 10³ kg dunkler Materie auf der Erdumlaufbahn zu spüren sind, während ein Planet wie Neptun ungefähr 10¹⁷ kg spüren würde.

Aber diese Werte sind im Vergleich zu den anderen Konsequenzmassen winzig! Die Sonne hat eine Masse von 2 × 10³⁰ kg, während die Erde eher 6 × 10²⁴ kg wiegt. Werte wie der, den wir im Bereich von 10³ bis 10¹ & sup5; kg gefunden haben, sind die Masse eines einzelnen bescheidenen Asteroiden. Eines Tages mögen wir das Sonnensystem gut genug verstehen, um solche winzigen Unterschiede erkennen zu können, aber wir sind jetzt einen guten Faktor von mehr als 100.000 davon entfernt.

Unsere Galaxie ist in einen riesigen, diffusen Lichthof aus dunkler Materie eingebettet, was darauf hinweist, dass dunkle Materie durch das Sonnensystem fließen muss. Aber in Bezug auf die Dichte ist es nicht sehr viel, und das macht es extrem schwierig, lokal zu erkennen. (Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Nature 458, 587–589 (2009))

Mit anderen Worten, dunkle Materie sollte im Sonnensystem vorhanden sein und die Bewegung der äußeren Planeten im Verhältnis zu den inneren Planeten überproportional beeinflussen, basierend auf der Menge der Masse, die von einer auf der Sonne zentrierten Kugel im Radius des Planeten eingeschlossen wird. Aufgrund der Anordnung des Sonnensystems könnten Sie sich fragen, ob durch Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie, einem Planeten und der Sonne aufgrund vieler Körper zusätzliche Dunkle Materie vom Sonnensystem eingefangen werden könnte. Dies war ein spaßiges Problem und das Thema eines Papiers, das ich vor 10 Jahren mitgeschrieben habe. Wir haben festgestellt, dass die Dichte der dunklen Materie erheblich gesteigert werden kann, aber nur, wenn Sie nicht der Meinung sind, dass das, was erfasst wird, sehr schnell wieder ausgestoßen wird. Selbst dann liegt der heute maximal mögliche Wert nach 4,5 Milliarden Jahren (in Purpur) immer noch unter der besten Beobachtungsgrenze.

Die Menge an galaktischer dunkler Materie, die von Planeten in verschiedenen Radien unseres Sonnensystems eingeschlossen wird (blau), zusammen mit der Gesamtmenge an dunkler Materie, die über die gesamte Lebensdauer des Sonnensystems (purpur) erfasst werden soll, wobei Ausstöße ignoriert werden, und die beste Einschränkung aus einer Studie von 2013 über die maximale Menge dunkler Materie, die möglicherweise vorhanden sein könnte. Wir haben das testbare Regime noch nicht erreicht. (X. Xu und E. R. Siegel, über http://arxiv.org/pdf/0806.3767v1.pdf)

Wir haben dunkle Materie in unserem Sonnensystem, und es sollte reale Auswirkungen auf jedes andere Materieteilchen haben, das sich um es herum befindet. Wenn es einen Wechselwirkungsquerschnitt zwischen Partikeln aus normaler Materie und Partikeln aus dunkler Materie gibt, sollten direkte Detektionsexperimente die Möglichkeit haben, ihn hier auf der Erde zu entdecken. Und selbst wenn dies nicht der Fall ist, sollten die Gravitationseffekte der dunklen Materie, die durch das Sonnensystem strömt, sowohl gravitationsmäßig erfasst als auch gravitationsfrei die Umlaufbahnen der Planeten beeinflussen. Aber bis unsere Messungen immer genauer werden, reicht der Gravitationseffekt einfach nicht aus, um etwas Erkennbares zu erhalten. In der Zwischenzeit müssen wir auf das Universum jenseits und nicht auf unser eigenes Sonnensystem schauen, um die Auswirkungen der dunklen Materie auf die Raumzeit zu sehen.

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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.