Die Röntgen- (rosa) und Gesamtmaterie-Karten (blau) verschiedener kollidierender Galaxienhaufen zeigen eine klare Trennung zwischen normaler und dunkler Materie. Bildnachweis: Röntgen: NASA / CXC / Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Schweiz / D. Harvey & NASA / CXC / Durham Univ / R. Massey; Optische Karte und Linsenkarte: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Schweiz) und R. Massey (Durham University, UK).

Dunkle Materie steht vor ihrer größten Herausforderung

Eine Korrelation zwischen normaler Materie und der beobachteten Rotation legt nahe, dass dunkle Materie letztendlich keine Gewissheit ist.

"Nichts im kosmologischen Standardmodell sagt dies voraus, und es ist fast unmöglich sich vorzustellen, wie dieses Modell modifiziert werden könnte, um es zu erklären, ohne die Hypothese der Dunklen Materie vollständig zu verwerfen." -David Merritt

Wenn es um die größten Dinge geht, die wir im Universum beobachten können - Galaxien, Galaxienhaufen und noch größere Anordnungen von Strukturen -, kann die gesamte normale Materie in all ihren Formen die Bewegungen, die wir sehen, nicht erklären. Um das, was wir sehen, mit dem, was existieren muss, in Einklang zu bringen, brauchen wir eine zusätzliche Komponente des Universums: irgendeine Form von unsichtbarem, massivem Material, bekannt als dunkle Materie. Eine neue Studie zeigt jedoch, dass die Erklärung der Dunklen Materie, wenn wir uns einzelne Galaxien genauer ansehen, möglicherweise überhaupt nicht Bestand hat.

Der Koma-Galaxienhaufen, dessen Galaxien sich viel zu schnell bewegen, um aufgrund der allein beobachteten Masse durch die Gravitation erklärt zu werden. Bildnachweis: KuriousG von Wikimedia Commons, unter einer Lizenz von c.c.a.-s.a.-4.0.

In den 1930er Jahren stellten Wissenschaftler fest, dass sich einzelne Galaxien innerhalb eines großen, massiven Galaxienhaufens (der oben gezeigte Coma Cluster) viel zu schnell bewegten, als dass normale Materie vorhanden wäre. Wenn alles, was existierte, Protonen, Neutronen und Elektronen wären, würden die Galaxien auseinander fliegen, anstatt sich bei diesen Geschwindigkeiten zu einem Cluster zusammenzuschließen! In den 1970er Jahren wurde für einzelne Galaxien ein ähnliches Problem festgestellt: Sie drehten sich vor allem am Stadtrand schneller, als es die Materie aufgrund der Schwerkraftgesetze vorhersagen würde. Beide Probleme könnten gelöst werden, wenn eine neue Art von Materie - dunkle Materie - im gesamten Universum gefunden würde. Die zusätzliche Gravitationskraft einer massiven Materiespezies, die nicht mit Licht, normaler Materie, Elektromagnetismus oder den Kernkräften wechselwirkt, würde zu einem großen, kugelförmigen „Lichthof“ aus dunkler Materie führen, der die massivsten gebundenen Strukturen umgibt.

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. Bildnachweis: NASA, ESA und T. Brown und J. Tumlinson (STScI).

Basierend auf dieser Idee wäre diese neue Form der Materie von den frühesten Stadien der Universumsgeschichte bis zum Urknall präsent gewesen. Die spezifischen Vorhersagen, die sich aus der Annahme der Existenz der Dunklen Materie ergeben, sind überwältigend:

  • Dass das Universum eine sehr spezifische, webartige Struktur in großem Maßstab bilden würde,
  • Dass Strukturen in großen, kleinen und mittleren Maßstäben in einem bestimmten Muster auftreten,
  • Dass Galaxienhaufen mit bestimmten Größen-, Massen- und Größenverteilungen auftreten würden,
  • Dass es ein bestimmtes Muster von Fluktuationen geben würde, die auf einer Vielzahl von Skalen im kosmischen Mikrowellenhintergrund auftreten, und
  • Diese kollidierenden Galaxienhaufen würden eine Trennung von normaler Materie und Röntgenstrahlen von der Gravitationsmasse der dunklen Materie aufweisen.

Alle diese Vorhersagen wurden seitdem auf spektakuläre Weise durch Beobachtungen bestätigt, wobei die letzten oft als empirischer Beweis für die Existenz dunkler Materie angeführt wurden.

Aber trotz des Erfolgs der Dunklen Materie bei der Erklärung, wie sich unsere Beobachtungen der größten Skalen herausstellen sollten, zeigen die relativ kleinen Skalen - die Skalen einzelner Galaxien - einige Probleme. Wenn Sie zum einen annehmen, dass dunkle Materie ein Teilchen einer bestimmten Masse ist, das nur durch Gravitation in Wechselwirkung tritt, sollten Galaxien, Cluster und Satelliten dasselbe universelle Dichteprofil haben. In allen Fällen bedeutet dies, dass der Kern die dunkelste Materie aufweisen sollte. Wenn Sie sich dann entfernen, sollte die Dichte nach einem bestimmten Gesetz abfallen, und an einem kritischen Punkt sollte die Dichte nach einem anderen, steileren Gesetz abfallen. Unterschiedliche Simulationsparameter ergeben unterschiedliche Profile, aber diese Funktion haben alle gemeinsam.

Vier verschiedene Dichteprofile der dunklen Materie aus Simulationen sowie ein isothermes Profil, das besser zu den Beobachtungen passt, die Simulationen jedoch nicht reproduzierbar sind. Bildnachweis: R. Lehoucq, M. Casse, J.-M. Casandjian und I. Grenier, Astron. Astrophys., 11961 (2013), über https://arxiv.org/abs/0906.1648.

Die Wissenschaftler Stacy McGaugh, Federico Lelli und James Schombert haben in einer neuen Veröffentlichung in Physical Review Letters 153 verschiedene Galaxien mit einer Vielzahl von Formen, Massen, Größen und Gasmengen beobachtet. Der Wissenschaftler Brian Koberlein hat vor einer Woche darüber geschrieben und eine Reihe möglicher Erklärungen für den Grund dafür angeführt. Was wir jedoch sehen, steht nicht zur Debatte. In einigen Galaxien ist die normale Materie ein wesentlicher Teil dessen, was sich dort befindet. in anderen dominiert die dunkle Materie.

Die beobachteten Kurven (schwarze Punkte) zusammen mit der gesamten normalen Materie (blaue Kurve) und verschiedenen Komponenten von Sternen und Gas, die dazu beitragen. Bildnachweis: Die Radialbeschleunigungsbeziehung in Galaxien mit Rotationsunterstützung, Stacy McGaugh, Federico Lelli und Jim Schombert, 2016. Von https://arxiv.org/pdf/1609.05917v1.pdf.

In all diesen Fällen zeigt sich jedoch eine sehr interessante und unerwartete Eigenschaft: Es besteht ein Zusammenhang zwischen der beobachteten Gravitationsbeschleunigung und der Verteilung der normalen Materie (Baryonen oder Protonen, Neutronen und Elektronen). Mit anderen Worten, wenn Sie messen, wie schnell sich die Galaxien drehen, scheint es - innerhalb einer vernünftigen Menge von Fehlern - nur von der Anwesenheit der normalen Materie abzuhängen. Angesichts der Tatsache, dass einige dieser Galaxien milchstraßenähnlich oder größer sind, während andere weniger als 1% der Masse ausmachen und angeblich von dunkler Materie dominiert werden, ist dieses Ergebnis überhaupt nicht das, was Sie erwarten könnten!

Die Korrelation zwischen der Gravitationsbeschleunigung (y-Achse) und der normalen baryonischen Materie (x-Achse), die in einer Anordnung von 153 Galaxien sichtbar ist. Die blauen Punkte zeigen jede einzelne Galaxie, während die roten Daten in Gruppen angezeigt werden. Bildnachweis: Die Radialbeschleunigungsbeziehung in Galaxien mit Rotationsunterstützung, Stacy McGaugh, Federico Lelli und Jim Schombert, 2016. Von https://arxiv.org/pdf/1609.05917v1.pdf.

Wenn dunkle Materie wirklich für dieses Gravitationsverhalten verantwortlich ist, muss sie erklären können, warum diese Beziehung entstehen sollte. Die in den naiven Simulationen vorhergesagten Halos der dunklen Materie führen nicht zu realistischen Galaxien. Nun könnte es eine neue Physik geben, der die Dunkle Materie gehorcht, die wir noch nicht aufgedeckt haben, und die dies erklären könnte:

  • Selbstwechselwirkungen zwischen den Partikeln der dunklen Materie,
  • schwache Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Partikeln normaler Materie,
  • Flüssigkeitsähnliches Verhalten, Gravitationspolarisation oder „Kondensationseigenschaften“ (bosonisch oder fermionisch) der dunklen Materie.
Die Galaxie NGC 7331 sollte wie alle Galaxien dieser Beziehung gehorchen. Aber wie kann man das mit den Vorhersagen der Dunklen Materie vereinbaren? Bildnachweis: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universität von Arizona.

Wie Professor Arthur Kosowsky (der nicht an der Forschung beteiligt war) feststellt,

„Das Standardmodell der Kosmologie ist bemerkenswert erfolgreich darin, fast alles zu erklären, was wir im Universum beobachten. Aber wenn es eine einzige Beobachtung gibt, die mich nachts wach hält und befürchtet, dass etwas im Wesentlichen nicht stimmt, dann ist es das. “

Wenn dunkle Materie richtig ist, muss erklärt werden, warum die normale Materie so gut mit den Rotationseigenschaften einer Galaxie korreliert zu sein scheint. Und wenn es sich nicht erklären lässt, müssen wir möglicherweise alle offensichtlichen Erfolge der Dunklen Materie überdenken und sie in Begriffe umformulieren, die uns aus kosmologischer Sicht äußerst unangenehm erscheinen lassen. Wenn dunkle Materie nicht stimmt, ist Einsteins Gravitationstheorie möglicherweise auch nicht die ganze Geschichte. In jedem Fall verspricht das 21. Jahrhundert eine erstaunliche Wissenschaft, um die Wahrheit über das aufzudecken, woraus das Universum wirklich besteht.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!