Dunkle Materie: Was wir wissen und wie wir es wissen

Auch wenn wir uns nicht sicher sind, was dunkle Materie tatsächlich ist, hat die Wissenschaft mehrere zuverlässige Methoden entwickelt, um auf ihre Anwesenheit und ihren Ort zu schließen. Wir wissen vielleicht nicht, was es ist, aber wir wissen, dass es da ist und wo es ist.

Trotz all unserer Fortschritte in den Bereichen Wissenschaft, Physik und Astronomie wissen wir immer noch nicht, was ungefähr 80% -90% der Materie im Universum sind. Dies ist jedoch keine völlig hoffnungslose Situation. Wir wissen sehr viel über diese mysteriöse Substanz, die vorläufig Dunkle Materie genannt wird. Zum Beispiel; Wir wissen, dass es da ist und wir wissen, wo es ist.

Bevor wir die Methoden untersuchen, die es uns ermöglicht haben, auf die Existenz dunkler Materie zu schließen, wollen wir zunächst herausfinden, was wir unter „dunkler Materie“ verstehen. Mit diesem Begriff meinen wir im Wesentlichen Materie, die wir nicht sehen können - entweder weil sie von Staub und Gas verdeckt ist, zu dunkel ist, um sie zu sehen, oder sie absorbiert und emittiert keine Photonen, wie wir sie mit der alltäglichen Materie um uns herum erleben .

Ungefähr 15% der Masse der Materie, die wir nicht sehen können, sind auf baryonische Materie zurückzuführen - die Art von Materie, die uns jeden Tag umgibt -, die verdeckt oder zu dunkel ist, um gesehen zu werden. Die anderen 80–90% erleben wir in unserem täglichen Leben nicht. oder wenn ja, verhält es sich so, wie es uns fremd ist.

Wir können ziemlich sicher sein, dass es nicht-baryonisch ist - es besteht nicht aus Protonen und Neutronen - es ist dunkel, weil es nicht mit Photonen interagiert.

Es ist diese nicht leuchtende, nicht baryonische Materie, auf die wir uns im Allgemeinen beziehen, wenn wir "dunkle Materie" sagen, und es ist die Definition, die wir in Zukunft verwenden werden. Erwähnenswert ist auch, dass wir nicht wissen, was es ist.

Das bedeutet jedoch nicht, dass wir uns völlig im Dunkeln befinden. Wir wissen, dass diese Masse da ist, wir können ihre Anwesenheit durch die Gravitationswirkung ableiten, die sie auf die Materie hat, die wir sehen können. Wir sind auch in der Lage, einige der Merkmale dieser dunklen Materie festzustellen.

Wir wissen, dass es nicht mit Licht interagiert. Wir wissen, dass es durch andere Materie und dunkle Materie geht, als ob es nicht einmal da wäre.

Es bleibt jedoch die Frage, wie wir sicher sein können, dass tatsächlich etwas zu entdecken ist. Gibt es überhaupt dunkle Materie oder ist es möglich, dass wir stattdessen unsere Gravitationstheorien in großem Maßstab falsch verstehen?

Fehlende Masse: Woher wissen wir, dass dunkle Materie da ist?

Der Bedarf an einer anderen "unsichtbaren" Masse im Universum wurde erstmals 1933 von Fritz Zwicky angesprochen. Nach dem Studium des Koma-Galaxienhaufens argumentierte Zwicky, dass der größte Teil der Gravitationsmasse in diesem Cluster nicht in Form von Sternen und Gas vorlag. aber in irgendeiner dunklen Form nur durch seine Gravitationseffekte erkennbar.

Fritz Zwicky; der Vater der Dunklen Materie (Schweizerische Physikalische Gesellschaft)

Zwicky - ein Schweizer Astronom, der den größten Teil seines Arbeitslebens am Califonia Institute of Technology (CalTech) in den USA verbracht hat - verwendete eine Methode, die als Virialsatz bezeichnet wird, um die Gravitationsmasse des Koma-Clusters abzuleiten Gas im System war einfach nicht groß genug, um es gravitativ zusammenzuhalten.

Die Grundlage des Virialsatzes ist, dass die Größe der Gravitationsenergie in einem System dem Zweifachen der kinetischen Energie entspricht. Wenn Sie dies als Ausgangspunkt verwenden, ist es relativ einfach, die Masse eines Systems zu berechnen, wenn Sie dessen Geschwindigkeit kennen - die mithilfe von Doppler-Verschiebungen gemessen werden kann.

Der stärkste Beleg für die Existenz dunkler Materie ist die Messung der Rotationskurve der Spiralgalaxie NGC 1560.

Natürlich sollte ein Ergebnis wie das von Zwicky durch andere Methoden reproduzierbar sein. Zum Glück haben wir verschiedene Techniken, um die Masse von Galaxien und galaktischen Clustern zu bestimmen.

Der Nachweis der Masse einer Galaxie wird auch durch Gravitationslinsen erbracht. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass die Masse das Gefüge der Raum-Zeit verzerrt. Je größer die Masse, desto größer der Verzug. Der einfachste Weg, dies zu erklären, besteht darin, sich vorzustellen, wie Objekte mit unterschiedlichem Gewicht auf eine gespannte Gummiplatte gelegt werden und wie sich die in der Platte erzeugte Krümmung auswirkt.

Eine grundlegende Darstellung der Gravitationslinse

Sogar Licht folgt diesen Abweichungen, was bedeutet, dass das Licht von entfernten Galaxien gekrümmt ist, wenn es an anderen Galaxien und galaktischen Clustern vorbeigeht. Der Krümmungsgrad ist ein Hinweis auf die Größe der dazwischenliegenden Masse.
Dies führt dazu, dass Galaxien aufgrund der unterschiedlichen Wege, die das Licht zur Erde nimmt, verschoben oder sogar in extremen Fällen an mehreren Punkten des Himmels erscheinen.

Der stärkste Beleg für den Gehalt an Dunkler Materie ist das lokale Universum. Die Rotationsrate von Spiralgalaxien kann verwendet werden, um auf die in dieser Galaxie eingeschlossene Masse zu schließen. Die Geschwindigkeit der Sterne und des Gases einer Galaxie, ausgedrückt als Funktion des Radius der Spirale, wird als Rotationskurve bezeichnet.

Wenn es keine dunkle Materie gäbe, würde die Rotationskurve mit Vorhersagen aus den Sternen und dem Gas übereinstimmen. Das folgende Diagramm zeigt die gemessene Rotationskurve der Spiralgalaxie NCG 1560. Die Beiträge der Gesamtmasse von Gas und Sternen zu den Geschwindigkeiten reichen nicht aus, um die gesamte Rotationskurve zu erklären.

NGC 1560-Rotationskurve. Datenpunkte zeigen beobachtete Geschwindigkeiten. Die gestrichelte Kurve zeigt den vorhergesagten Beitrag der Masse der Sterne zu den Geschwindigkeiten. Die gepunktete Linie zeigt den Beitrag der Gasmasse zu den Geschwindigkeiten. Diese reichen nicht aus, um beobachtete Geschwindigkeiten zu erklären. Die strichpunktierte Linie ist der erforderliche Beitrag zur Dunklen Materie (Serjeant, 2010)

Selbst wenn wir dies als eindeutigen Beweis für die fehlende Masse im Universum betrachten, könnte der Skeptiker fragen: „Warum bedeutet dies, dass die Masse in einer Form vorliegen muss, die wir nicht kennen? Ist es nicht eine Möglichkeit, dass diese Masse einfach nicht leuchtende baryonische Materie ist? Was ist, wenn unser Verständnis der Schwerkraft einige Mängel aufweist? Was ist, wenn dies in schwarzen Löchern eingeschlossen ist? “

Die Tatsache, dass Gas in einer Galaxie und die Dunkle Materie dieser Galaxie denselben Raum einnehmen, impliziert, dass es eine Überarbeitung der Gravitationstheorien geben könnte, die die Notwendigkeit der Dunklen Materie beseitigen könnte. Mehrere überarbeitete Versionen der Newtonschen Mechanik, wie z. B. Modified Newtonian Dynamics (MOND), wurden vorgelegt.

Um den Bedarf an dunkler Materie zu bestätigen und MOND und eine entsprechende alternative Hypothese abzulehnen, müssten wir eine Situation beobachten, in der Gas und dunkle Materie getrennt wurden. Glücklicherweise ist ein solches Szenario durch Kollisionen zwischen Galaxienhaufen gegeben, wie im Folgenden beschrieben.

The Bullet Cluster: direkte empirische Beweise für dunkle Materie

Das Vorhandensein dunkler Materie wurde wie oben beschrieben durch ihre Gravitationseffekte erschlossen. Die Notwendigkeit einer neuen Form der Materie anstelle einer Überarbeitung unseres derzeitigen Verständnisses ergibt sich jedoch aus Beobachtungen des Galaxienhaufens 1EO657–558 oder des Kugelhaufens.

Der Bullet-Cluster ist der Überrest von zwei Sub-Clustern, die vor rund 100 Millionen Jahren eine Kollision erlitten haben. Die Röntgenuntersuchung des Kugelhaufens zeigt, dass sich zwischen den Teilhaufen befindliches Intraclustergas genau so verhält, wie wir es erwarten würden. Sie wurden zusammengedrückt und bremsten ihren Fortschritt in Richtung der Ränder des Clusters.

Beobachtungen unter Verwendung von Gravitationslinsen zeigen, dass sich die dominanten Massen im Bullet-Cluster ganz anders als das Gas verhalten haben. Diese Masse hat sich vom Intraclustergas getrennt. Tatsächlich können wir sehen, dass die Haufen dunkler Materie durch das andere Material und sogar durch einander hindurchgegangen sind, um zwei „Peaks“ zu bilden.

Bilder (Lambourne, Jones, Serjeant (2009))

Dieses Verhalten kann nicht durch eine modifizierte Gravitationstheorie erklärt werden. Diese gespenstische Phasierung kann auch nicht durch baryonische Materie angezeigt werden. Dunkle Materie existiert. Aber wo ist es?

Die Jagd ist eröffnet: Methoden, um dunkle Materie zu finden

Um dunkle Materie zu lokalisieren, wenden wir uns an Einstein und seine allgemeine Relativitätstheorie, genauer gesagt, verwenden wir schwache Gravitationslinsen. In diesem Fall suchen wir nach Verzerrungen, die entfernte Hintergrundgalaxien durch dazwischenliegende dunkle Materie verursachen.

Um dies mit einer alltäglichen Analogie zu beschreiben, stellen Sie sich vor, Sie starren auf den Boden eines Schwimmbeckens mit einem Gittermuster. Wenn der Pool still ist, sehen Sie das Gitter so ziemlich wie am Boden des Pools. Wenn die Wasseroberfläche jedoch turbulent ist, wird das Gitter verzerrt und unförmig.

Um dies auf eine kosmologische Skala zu bringen; Wir können uns ein Feld perfekt kreisförmiger galaktischer Cluster vorstellen, die durch ein Netz aus dunkler Materie betrachtet werden. Verzerrungen in der Form der Cluster deuten auf das Vorhandensein dunkler Materie hin. Je größer die Verzerrung ist, desto höher ist die Konzentration dunkler Materie. Diese Verzerrungen werden als kosmische Scherung bezeichnet.

(A. Refrieger, Universität Cambridge)

Auch wenn Galaxien außerhalb dieser hypothetischen Situation selten, wenn überhaupt, perfekt kreisförmig sind und die tatsächliche Scherung extrem gering ist, können Astronomen die Verzerrung über mehrere Galaxien mitteln, die dicht am Himmel positioniert sind.

Das Schema der Milchstraße zeigt den Halo der dunklen Materie (grau), Kugelhaufen (rote Kreise), die dicke Scheibe (dunkelviolett), die Sternscheibe (weiß), die Sternbeule (rot-orange) und das zentrale schwarze Loch. Die Sternscheibe hat einen Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren. Der dunkle Lichthof reicht bis zu einem Durchmesser von mindestens 600.000 Lichtjahren. (NASA / CXC / M. Weiss)

Im Fall unserer eigenen Milchstraße konnten wir feststellen, dass dunkle Materie in einem schrägen Lichthof vorliegt, der die Scheibe unserer Galaxie umgibt. Wir konnten feststellen, dass seine Masse ungefähr 10² Sonnenmassen, das 10-fache der Masse der Sterne der Milchstraße und das 100-fache der Masse von Gas und Staub beträgt. Anhand dessen können wir sicher sein, dass es der Gravitationseinfluss der dunklen Materie ist, der unsere Galaxie und andere zusammenhält.

Obwohl wir nicht genau wissen, was dunkle Materie ist, wissen wir viel und können noch mehr daraus schließen. Die kommenden Jahrzehnte versprechen die Lösung eines der größten Rätsel der Wissenschaft. Die Natur der Dunklen Materie wird wahrscheinlich aufgedeckt. Vielleicht lässt die Antwort uns nur noch mehr Fragen offen.