Dunkle Materie: Was wir wissen und woher wir es wissen

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

Trotz all unserer Fortschritte in Wissenschaft, Physik und Astronomie wissen wir immer noch nicht, was ungefähr 80% -90% der Materie im Universum ist. Dies ist jedoch keine völlig hoffnungslose Situation. Wir wissen viel über diese mysteriöse Substanz, die vorläufig als dunkle Materie bezeichnet wird. Beispielsweise; Wir wissen, dass es da ist und wir wissen, wo es ist.

Bevor wir die Methoden untersuchen, mit denen wir auf die Existenz dunkler Materie schließen konnten, wollen wir zunächst feststellen, was wir meinen, wenn wir „dunkle Materie“ sagen. Im Wesentlichen meinen wir mit diesem Begriff Materie, die wir nicht sehen können - entweder weil sie durch Staub und Gas verdeckt ist, zu dunkel zum Sehen ist oder weil sie keine Photonen absorbiert und emittiert, wie wir es mit der alltäglichen Materie um uns herum erleben .

Ungefähr 15% der Masse der Materie, die wir nicht sehen können, entfällt auf baryonische Materie - die Art von Materie, die uns jeden Tag umgibt -, die verdeckt oder zu dunkel ist, um sie zu sehen. Die anderen 80–90% sind etwas, das wir in unserem täglichen Leben nicht erleben. oder wenn ja, verhält es sich auf eine Weise, die 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 allgemein 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 völlig im Dunkeln sind. Wir wissen, dass diese Masse da ist, wir können ihre Anwesenheit durch den Gravitationseffekt ableiten, den sie auf die Materie hat, die wir sehen können. Wir sind auch in der Lage, einige der Eigenschaften 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. Existiert 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. Nachdem er den Koma-Galaxienhaufen untersucht hatte, argumentierte Zwicky, dass der größte Teil der Gravitationsmasse in diesem Haufen nicht in Form von Sternen und Gas vorliegt. aber in irgendeiner dunklen Form, nur durch seine Gravitationseffekte nachweisbar.

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

Zwicky - ein Schweizer Astronom, der den größten Teil seines Berufslebens am Califonia Institute of Technology (CalTech) in den USA verbracht hat - verwendete eine als Virialsatz bekannte Methode, um auf die Gravitationsmasse des Koma-Clusters zu schließen, und stellte fest, dass die kombinierte Masse der Sterne und Gas im System war einfach nicht groß genug, um es gravitativ zusammenzuhalten.

Die Grundlage des Virialsatzes ist, dass die Größe der Gravitationsenergie innerhalb eines Systems doppelt so groß ist wie die kinetische Energie. 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 mit anderen 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 erfolgt auch durch Gravitationslinsen. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass die Masse das Gewebe der Raumzeit verzerrt. Je größer die Masse, desto größer der Verzug. Der einfachste Weg, dies zu erklären, besteht darin, sich vorzustellen, wie Sie unterschiedlich gewichtete Objekte auf eine gedehnte Gummiplatte legen und die resultierende Biegung betrachten, die in der Folie erzeugt wird.

Eine grundlegende Darstellung der Gravitationslinse

Sogar Licht folgt diesen Abweichungen, was bedeutet, dass das Licht von entfernten Galaxien gekrümmt ist, wenn es andere Galaxien und galaktische Cluster passiert. Der Krümmungsgrad ist ein Hinweis auf die Größe der dazwischenliegenden Masse. Dies führt dazu, dass Galaxien aufgrund der unterschiedlichen Wege, die das Licht nimmt, um die Erde zu erreichen, verschoben erscheinen oder sogar in extremen Fällen an mehreren Punkten am Himmel erscheinen.

Der stärkste unterstützende Beweis für den Inhalt der Dunklen Materie liegt im lokalen Universum. Die Rotationsgeschwindigkeit 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 zu den Geschwindigkeiten, die die Gesamtmasse von Gas und Sternen liefert, reichen nicht aus, um die Gesamtrotationskurve zu erklären.

Rotationskurve des NGC 1560. Datenpunkte zeigen beobachtete Geschwindigkeiten. Die gestrichelte Kurve zeigt den vorhergesagten Beitrag zu Geschwindigkeiten aus der Masse der Sterne. Die gepunktete Linie zeigt den Beitrag der Gasmasse zu den Geschwindigkeiten. Diese reichen nicht aus, um die beobachteten 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 diese Materie 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 dunkler Materie beseitigen könnte. Es wurden mehrere überarbeitete Versionen der Newtonschen Mechanik wie Modified Newtonian Dynamics (MOND) vorgeschlagen.

Um die Notwendigkeit dunkler Materie zu bestätigen und MOND und eine gleichwertige alternative Hypothese abzulehnen, müssten wir eine Situation beobachten, in der Gas und dunkle Materie getrennt wurden. Glücklicherweise wird ein solches Szenario durch Kollisionen zwischen Galaxienhaufen wie dem unten beschriebenen bereitgestellt.

The Bullet Cluster: direkte empirische Beweise für dunkle Materie

Das Vorhandensein dunkler Materie wurde durch die oben beschriebenen Gravitationseffekte abgeleitet. Die Notwendigkeit einer neuen Form von Materie anstelle einer Überarbeitung unseres derzeitigen Verständnisses ergibt sich jedoch aus Beobachtungen des Galaxienhaufens 1EO657–558 oder des Kugelhaufens.

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

Beobachtungen mit Gravitationslinsen zeigen, dass sich die dominanten Massen im Bullet-Cluster ganz anders verhalten haben als das Gas. Diese Masse hat sich vom Intraclustergas getrennt. Tatsächlich können wir sehen, dass die Cluster der dunklen Materie das andere Material und sogar einander durchlaufen haben, um zwei "Peaks" zu bilden.

Bilder (Lambourne, Jones, Serjeant (2009))

Dieses Verhalten kann nicht durch eine modifizierte Gravitationstheorie erklärt werden. Diese gespenstische Phaseneinstellung 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 Einstein und seiner Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie zu, genauer gesagt, wir verwenden schwache Gravitationslinsen. In diesem Fall suchen wir nach Verzerrungen, die durch intervenierende dunkle Materie in entfernten Hintergrundgalaxien verursacht werden.

Um dies anhand einer alltäglichen Analogie zu beschreiben, stellen Sie sich vor, Sie starren auf den Boden eines Schwimmbades mit einem Gittermuster. Wenn der Pool still ist, sehen Sie das Gitter so ziemlich so, wie es sich am Boden des Pools befindet. 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 dunkler Materie betrachtet werden. Verzerrungen in der Form der Cluster zeigen das Vorhandensein dunkler Materie an. Je größer die Verzerrung ist, desto größer ist die Konzentration dunkler Materie. Diese Verzerrungen werden als kosmische Scherung bezeichnet.

(A. Refrieger, Universität Cambridge)

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

Schema der Milchstraße mit dem Halo der dunklen Materie (grau), den Kugelhaufen (rote Kreise), der dicken Scheibe (dunkelviolett), der Sternscheibe (weiß), der Sternwölbung (rot-orange) und dem zentralen Schwarzen Loch. Die Sternscheibe hat einen Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren. Der dunkle Lichthof erstreckt sich 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 existiert, der die Scheibe unserer Galaxie umgibt. Wir konnten feststellen, dass seine Masse ungefähr 10¹² Sonnenmassen beträgt, das 10-fache der Masse der Sterne der Milchstraße und das 100-fache der Masse ihres Gases und Staubes. Daraus 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 noch mehr können wir daraus schließen. Die kommenden Jahrzehnte versprechen, eines der größten Rätsel der Wissenschaft zu lösen. Die Natur der Dunklen Materie wird wahrscheinlich enthüllt. Vielleicht lässt uns die Antwort nur noch mehr Fragen offen.