Ein klumpiger Halo aus dunkler Materie mit unterschiedlichen Dichten und einer sehr großen, diffusen Struktur, wie durch Simulationen vorhergesagt, wobei der leuchtende Teil der Galaxie maßstabsgetreu dargestellt 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 Vielzahl 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 die gesamte Materie aus Teilchen des Standardmodells der Physik - die Planeten, Sterne und Galaxien bilden, die wir im gesamten Universum finden, machen sie nur 15% der Gesamtmenge des Universums aus Masse. Der Rest besteht aus etwas ganz anderem: kalter dunkler Materie. Aber wenn diese dunkle Materie überall und so reichlich vorhanden ist, warum haben wir sie nicht in unserem Sonnensystem gesehen? Das ist die Frage von Bob Lipp, der wissen will:

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 sehen. 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 Auswirkungen 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 erfuhr. Lassen Sie uns die Wahrheit untersuchen und herausfinden.

Das kosmische Netz aus dunkler Materie und die großräumige Struktur, die es bildet. Normale Materie ist vorhanden, macht aber nur 1/6 der gesamten Materie aus. Die anderen 5/6 sind dunkle Materie, und keine Menge normaler Materie wird das loswerden. (Die Millenium-Simulation, 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 nahezu perfekt glattes Meer dunkler Materie darin ausbreitete. Im Laufe der Zeit wirken die Gravitation und die anderen Kräfte durch eine Reihe miteinander verbundener Schritte:

  • die ganze Materie, normal und dunkel, zieht die Gravitation an,
  • Die Regionen mit überdurchschnittlicher Dichte wachsen und ziehen vorzugsweise beide Arten von Materie an.
  • die Strahlung drückt gegen die normale Materie zurück und kollidiert mit ihr,
  • aber zumindest nicht die dunkle Materie, nicht auf die gleiche Weise.

Dies erzeugt ein ganz besonderes Muster von Über- und Unterdichten im Universum; Ein Muster, das sich zeigt, wenn wir den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) betrachten.

Die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund sind von so geringer Größe und von so besonderem Muster, dass sie stark darauf hinweisen, dass das Universum überall mit der gleichen Temperatur begann und insbesondere dunkle Materie, normale Materie und dunkle Energie enthält. (ESA und die Planck-Zusammenarbeit)

Das CMB ist das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls: die Strahlung, die von dem Moment an, in dem sich neutrale Atome stabil bilden, direkt zu unseren Augen gelangt. Was wir heute sehen, ist eine Momentaufnahme des Universums beim Übergang von einem ionisierten Plasma zu einem elektrisch neutralen Satz von Atomen: wo dieser Strahlungsrückstoß vernachlässigbar wird. Die kalten Stellen entsprechen überdichten Regionen, da die Strahlung (überdurchschnittlich) zusätzliche Energie aufwenden muss, um aus dem Gravitationsbrunnen herauszuklettern, in dem sie sich befindet. Die Hot Spots sind ähnlich unterdichte Regionen.

Die Regionen mit Überdichte, durchschnittlicher Dichte und Unterdichte, die existierten, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war, entsprechen jetzt kalten, durchschnittlichen und heißen Stellen in der CMB. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

Das Muster der kalten und heißen Stellen auf allen Skalen, die wir beobachten können, sowie ihre Korrelation sagen uns, woraus das Universum besteht: 68% dunkle Energie, 27% dunkle Materie und 5% normale Materie. Mit der Zeit werden diese überdichten Regionen dann zu Sternen, Sternhaufen, Galaxien und Galaxienhaufen, während die unterdichten Regionen ihre Materie an die sie umgebenden dichteren Regionen abgeben. Obwohl es nur die normale Materie ist, die wir aufgrund ihrer Erzeugung und Wechselwirkung mit Licht und anderen Formen von Strahlung 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 erforderlich sind und dass wir den Ursprung eines dieser Geheimnisse nicht kennen. Die Schwankungen des CMB, die Bildung und die Korrelationen zwischen der großräumigen Struktur und modernen Beobachtungen der Gravitationslinsen 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 zusammenzubrechen. Der Kollaps tritt zuerst in der kürzesten Dimension auf, aber normale Materie interagiert und kollidiert mit anderen Partikeln normaler Materie, genauso wie Ihre Hände, obwohl Atome größtenteils leere Räume sind, zusammenklatschen, wenn Sie versuchen, sie durcheinander zu führen. Dadurch entsteht 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 kollidiert dagegen weder mit sich selbst noch mit normaler Materie, was bedeutet, dass sie in einem sehr großen, extrem diffusen Lichthof verbleibt. Obwohl es mehr dunkle Materie als normale Materie gibt, ist ihre Dichte beispielsweise in unserer Galaxie viel geringer, wo Objekte wie Sterne gefunden werden.

Der Halo 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 zur großen Frage. Was ist mit der Wirkung der Dunklen Materie auf das Sonnensystem? Ein großer Teil dessen, was Sie wahrscheinlich denken, ist wahr: Wir sollten überall Partikel der dunklen Materie durch den Weltraum fliegen lassen, auch in unserer Milchstraße. Es bedeutet, dass es dunkle Materie in unserem Sonnensystem, in unserer Sonne, auf unserem Planeten und sogar in unserem Körper geben sollte. Die große Frage, die Sie stellen müssen, lautet: Was ist im Vergleich zu den Massen der Sonne, der Planeten und der anderen Objekte 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 empfindlich 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 bestimmt es die Umlaufbahnen der Planeten. Aber für die Venus ist der Planet Merkur in ihr; In erster Näherung wird die Umlaufbahn der Venus 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 auf der Sonne zentrierten imaginären Kugel eingeschlossen ist, wobei sich dieses Objekt am Rand der Kugel befindet.

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

Wenn es ein Meer dunkler Materie gibt, das den Raum durchdringt, in dem wir uns befinden - durch das gesamte Sonnensystem -, 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 etwa 10¹³ kg dunkle Materie von der Erdumlaufbahn gefühlt werden sollten, während ein Planet wie Neptun etwa 10¹ would kg fühlen würde.

Aber diese Werte sind im Vergleich zu den anderen Massen von Konsequenzen winzig! Die Sonne hat eine Masse von 2 × 10³⁰ kg, während die Erde eher 6 × 10²⁴ kg wiegt. Werte wie der, den wir uns im Bereich von 10¹³ bis 10¹⁷ kg ausgedacht haben, sind die Masse eines einzelnen bescheidenen Asteroiden. Eines Tages werden wir das Sonnensystem vielleicht gut genug verstehen, dass so kleine Unterschiede erkennbar sind, aber wir sind jetzt einen guten Faktor von mehr als 100.000 davon entfernt.

Unsere Galaxie ist in einen riesigen, diffusen Halo aus dunkler Materie eingebettet, was darauf hinweist, dass dunkle Materie durch das Sonnensystem fließen muss. In Bezug auf die Dichte ist es jedoch nicht sehr viel, und das macht es äußerst schwierig, es 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 relativ zu den inneren Planeten überproportional beeinflussen, basierend auf der Menge an Masse, die von einer Kugel eingeschlossen ist, die auf der Sonne im Radius des Planeten zentriert ist. Sie könnten sich aufgrund der Anordnung des Sonnensystems fragen, ob Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie, einem Planeten und der Sonne durch viele Körper dazu führen könnten, dass zusätzliche dunkle Materie vom Sonnensystem erfasst wird. Dies war ein lustiges Problem und war das Thema eines Papiers, das ich vor 10 Jahren mitgeschrieben habe. Wir haben festgestellt, dass die Dichte der dunklen Materie erheblich erhöht werden kann, aber nur, wenn Sie nicht berücksichtigen, dass das, was erfasst wird, wahrscheinlich sehr schnell wieder ausgeworfen wird. Selbst dann liegt der heute maximal mögliche Wert nach 4,5 Milliarden Jahren (in lila) immer noch unter der besten Beobachtungsbeschränkung.

Die Menge an galaktischer dunkler Materie, die von Planeten bei verschiedenen Radien in unserem Sonnensystem eingeschlossen wird (blau), zusammen mit der Gesamtmenge an dunkler Materie, die voraussichtlich während der Lebensdauer des Sonnensystems eingefangen wird (lila), wobei Auswürfe ignoriert werden und die beste Einschränkung , aus einer Studie von 2013, über die maximale Menge an dunkler Materie, die möglicherweise vorhanden sein könnte. Wir haben das testbare Regime noch nicht erreicht. (X. Xu und ER Siegel, über http://arxiv.org/pdf/0806.3767v1.pdf)

Wir haben dunkle Materie in unserem Sonnensystem, und sie sollte echte Auswirkungen auf jedes andere Materieteilchen in der Umgebung haben. Wenn es einen Wechselwirkungsquerschnitt zwischen Partikeln normaler Materie und Partikeln dunkler Materie gibt, sollten direkte Detektionsexperimente die Möglichkeit haben, ihn genau hier auf der Erde zu entdecken. Und selbst wenn dies nicht der Fall ist, sollten die Gravitationseffekte der dunklen Materie, die durch das Sonnensystem geht, sowohl gravitativ erfasst als auch gravitationsfrei, die Umlaufbahnen der Planeten beeinflussen. Aber bis unsere Messungen immer präziser werden, reicht der Gravitationseffekt einfach nicht aus, um etwas Erkennbares zu bewirken. In der Zwischenzeit müssen wir auf das Universum dahinter schauen, nicht auf unser eigenes Sonnensystem, 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 veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.