Die neuesten Entwicklungen der Dunklen Materie

Die Forscher entdecken weiterhin mehr über die schwer fassbare Substanz, die 90% der Masse des Universums ausmacht. Im März wurden zwei Galaxien entdeckt, denen dunkle Materie und Einschränkungen der Eigenschaften der dunklen Materie fehlen. Während ein möglicher Kandidat - das Axion - noch fehlt.

Zwei weitere Galaxien ohne dunkle Materie entdeckt

In zwei getrennten Studien haben Forscher begonnen, unser Wissen über dunkle Materie weiterzuentwickeln - die Substanz, die zwischen 70 und 90% der Masse des sichtbaren Universums ausmacht.

Ein Foto der DF2-Galaxie (NASA, ESA und P. van Dokkum [Yale University])

In einer scheinbar ironischen Entwicklung haben Forscher zwei weitere Galaxien entdeckt, die keine dunkle Materie zu enthalten scheinen. Etwas, das die Existenz des Stoffes tatsächlich stützt - anstatt seine Eigenschaften mit einem überarbeiteten Schwerkraftmodell zu erklären.

Die im Astrophysical Journal Letters veröffentlichte Studie baut auf der Beobachtung einer Galaxie ohne erkennbaren Gehalt an dunkler Materie im letzten Jahr auf. Die Entdeckung hatte die Astronomen, gelinde gesagt, skeptisch gemacht, da es die einzige Beobachtung dieser Art war.

Der Astronom Pieter van Dokkum von der Yale University, der die letztjährige Studie leitete, bemerkte: „Wenn es nur ein Objekt gibt, haben Sie immer eine kleine Stimme im Hinterkopf, die sagt:‚ Aber was ist, wenn Sie sich irren? '

"Obwohl wir alle erdenklichen Kontrollen durchgeführt haben, waren wir besorgt, dass die Natur uns auf eine Schleife geworfen und sich verschworen hatte, etwas wirklich Besonderes aussehen zu lassen, während es wirklich etwas Alltäglicheres war."

Die neue Arbeit konzentriert sich auf eine 60 Millionen Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernte Geistergalaxie - NGC 1052-DF2 (DF2) -, die keine erkennbare dunkle Materie aufweist. Zusätzlich zu dieser Studie enthüllte eine andere Studie, die im selben Journal veröffentlicht wurde, Details von DF4, eine weitere Galaxie - diese dunkel und diffus - ohne erkennbare dunkle Materie.

Die Forschung impliziert eine größere Population von Galaxien, für die keine dunkle Materie erforderlich ist, um ihnen Stabilität zu verleihen. Die Forschung gibt neue Einblicke in die Natur der Dunklen Materie und deutet darauf hin, dass es noch viel mehr über die Entwicklung von Galaxien zu lernen gibt.

Sowohl DF2 als auch DF4 sind Teil einer relativ neuen Klasse von Galaxien, die als ultra-diffuse Galaxien (UDGs) bezeichnet werden. Sie sind so groß wie die Milchstraße, haben aber zwischen 100 und 1000 Mal weniger Sterne. Dadurch wirken sie flauschig und durchscheinend - und sind schwer zu beobachten.

Shany Danieli, Doktorandin an der Yale University und Hauptautorin der DF2-Studie, sagt: „Die Tatsache, dass wir etwas sehen, das völlig neu ist, ist so faszinierend.

"Niemand wusste, dass solche Galaxien existieren, und das Beste auf der Welt für einen Astronomiestudenten ist, ein Objekt zu entdecken - sei es ein Planet, ein Stern oder eine Galaxie -, von dem niemand etwas wusste oder an das er überhaupt dachte."

Links: Eine Galaxie mit einer Rotationskurve, wie vorhergesagt, bevor die Auswirkungen der Dunklen Materie bekannt waren. Rechts: Eine Galaxie mit einer flachen Rotationskurve, die durch die Auswirkungen der Dunklen Materie erklärt werden kann (Berg)

Wie oben erwähnt, verstärkt die Ironie dieser Entdeckungen, wie Forscher betonen, tatsächlich die Argumente für die Existenz dunkler Materie. Dies liegt daran, dass es zeigt, dass die Auswirkungen der Dunklen Materie nicht an die normale Materie gekoppelt sind - wie wir es erwarten würden, wenn diese Eigenschaften für unser Verständnis der Schwerkraft nur Macken wären.

Danieli führt mit dem Dragonfly Telephoto Array - einem von van Dokkum entworfenen Teleskop - eine großflächige Vermessung durch, um systematisch nach weiteren Beispielen zu suchen und die Kandidaten dann erneut mit den Keck-Teleskopen zu beobachten.

Sie schließen daraus: „Wir hoffen, als nächstes herauszufinden, wie häufig diese Galaxien sind und ob sie in anderen Bereichen des Universums existieren.

„Wir möchten mehr Beweise finden, die uns helfen zu verstehen, wie die Eigenschaften dieser Galaxien mit unseren aktuellen Theorien funktionieren. Wir hoffen, dass wir damit einen Schritt weiter gehen, um eines der größten Geheimnisse unseres Universums zu verstehen - die Natur der dunklen Materie. “

Während sich diese Studien auf Galaxien konzentrierten, denen dunkle Materie fehlt, konzentriert sich eine andere Studie - ebenfalls in diesem Monat veröffentlicht - auf die Eliminierung möglicher Kandidaten für dunkle Materie.

Physiker beschränken die Dunkle Materie

Forscher aus Russland, Finnland und den USA haben das theoretische Modell von Partikeln der dunklen Materie eingeschränkt, indem sie Daten aus astronomischen Beobachtungen aktiver galaktischer Kerne analysiert haben. Die neuen Erkenntnisse bieten einen zusätzlichen Anreiz für Forschungsgruppen auf der ganzen Welt, die versuchen, das Geheimnis der Dunklen Materie zu lösen: Niemand ist sich ganz sicher, woraus sie besteht. Das Papier wurde im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht.

Dieses Bild von Centaurus A, einer der der Erde am nächsten gelegenen aktiven Galaxien, kombiniert die Daten aus Beobachtungen in mehreren Frequenzbereichen (ESO / WFI (optisch), MPIfR / ESO / APEX / A. Weiss et al. (Submillimeter), NASA / CXC / CfA / R. Kraft et al. (Röntgen))

Die Frage, aus welchen Teilchen dunkle Materie besteht, ist für die moderne Teilchenphysik von entscheidender Bedeutung. Trotz der Erwartung, dass Partikel der dunklen Materie am Large Hadron Collider entdeckt werden, geschah dies nicht.

Eine Reihe von damals gängigen Hypothesen über die Natur der Dunklen Materie musste zurückgewiesen werden. Verschiedene Beobachtungen deuten darauf hin, dass dunkle Materie existiert, aber anscheinend besteht sie aus etwas anderem als den Partikeln im Standardmodell.

Die Physiker müssen daher weitere Optionen in Betracht ziehen, die komplexer sind. Das Standardmodell muss erweitert werden. Unter den Kandidaten für den Einschluss befinden sich hypothetische Teilchen, die Massen im Bereich des 100- bis 10-fachen der Masse des Elektrons aufweisen können, wie die oben erwähnten Axionen. Das heißt, das schwerste spekulierte Teilchen hat eine Masse, die 40 Größenordnungen größer ist als die des leichtesten.

Ein theoretisches Modell behandelt dunkle Materie als aus ultraleichten Partikeln zusammengesetzt - wie Axionen, die im nächsten Abschnitt behandelt werden. Dies bietet eine Erklärung für zahlreiche astronomische Beobachtungen. Solche Teilchen wären jedoch so leicht, dass sie sehr schwach mit anderer Materie und Licht interagieren würden, was es äußerst schwierig macht, sie zu untersuchen. Die Forscher wenden sich daher astronomischen Beobachtungen zu.

Sergey Troitsky, Mitautor des Papiers und Chefforscher am Institut für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften, sagt: „Wir sprechen von Partikeln der Dunklen Materie, die 28 Größenordnungen leichter sind als das Elektron. Dieser Begriff ist für das Modell, das wir testen wollten, von entscheidender Bedeutung.

„Die Gravitationswechselwirkung verrät das Vorhandensein dunkler Materie. Wenn wir die gesamte beobachtete Masse der Dunklen Materie mit ultraleichten Partikeln erklären, würde dies bedeuten, dass es eine enorme Anzahl von ihnen gibt. Bei so leichten Teilchen stellt sich jedoch die Frage: Wie schützen wir sie vor dem Erwerb einer effektiven Masse aufgrund von Quantenkorrekturen? “

Berechnungen zeigen, dass eine mögliche Antwort darin besteht, dass diese Teilchen schwach mit Photonen interagieren, dh mit elektromagnetischer Strahlung. Dies bietet eine viel einfachere Möglichkeit, sie zu untersuchen: durch Beobachtung elektromagnetischer Strahlung im Weltraum.

Wenn die Anzahl der Teilchen sehr hoch ist, können Forscher sie als ein Feld bestimmter Dichte behandeln, das das Universum durchdringt. Dieses Feld schwingt kohärent über Domänen mit einer Größe in der Größenordnung von 100 Parsec - etwa 325 Lichtjahren.

Was die Schwingungsdauer bestimmt, ist die Masse der Partikel. Wenn das von den Autoren berücksichtigte Modell korrekt ist, sollte dieser Zeitraum etwa ein Jahr betragen. Wenn polarisierte Strahlung ein solches Feld passiert, schwingt die Ebene der Strahlungspolarisation mit derselben Periode. Wenn solche periodischen Änderungen tatsächlich auftreten, können astronomische Beobachtungen sie aufdecken. Und die Länge des Zeitraums - ein terrestrisches Jahr - ist sehr günstig, da viele astronomische Objekte über mehrere Jahre beobachtet werden, was ausreicht, damit sich die Änderungen der Polarisation manifestieren.

Die Autoren des Papiers verwendeten Daten von erdgestützten Radioteleskopen, da sie während eines Beobachtungszyklus viele Male zu denselben astronomischen Objekten zurückkehren. Solche Teleskope können entfernte aktive galaktische Kerne - Regionen von überhitztem Plasma nahe den Zentren von Galaxien - beobachten. Diese Regionen emittieren stark polarisierte Strahlung. Durch Beobachtung kann man die Änderung des Polarisationswinkels über mehrere Jahre verfolgen.

Troitsky fährt fort: „Zuerst schienen die Signale einzelner astronomischer Objekte sinusförmige Schwingungen aufzuweisen. Das Problem war jedoch, dass die Sinusperiode durch die Partikelmasse der dunklen Materie bestimmt werden muss, was bedeutet, dass sie für jedes Objekt gleich sein muss. In unserer Stichprobe befanden sich 30 Objekte. Und es mag sein, dass einige von ihnen aufgrund ihrer eigenen inneren Physik schwangen, aber trotzdem waren die Perioden nie die gleichen.

„Dies bedeutet, dass die Wechselwirkung unserer ultraleichten Partikel mit Strahlung möglicherweise eingeschränkt ist. Wir sagen nicht, dass solche Teilchen nicht existieren, aber wir haben gezeigt, dass sie nicht mit Photonen interagieren, was die verfügbaren Modelle, die die Zusammensetzung der Dunklen Materie beschreiben, einschränkt. “

Yuri Kovalev, Mitautor des Studien- und Laborleiters am Moskauer Institut für Physik und Technologie und am Lebedev Physical Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften, ist von der Aussicht äußerst begeistert.

Er sagt: „Stellen Sie sich vor, wie aufregend das war! Sie verbringen Jahre damit, Quasare zu studieren, wenn eintägige theoretische Physiker auftauchen, und die Ergebnisse unserer hochpräzisen Polarisationsmessungen mit hoher Winkelauflösung sind plötzlich nützlich, um die Natur der Dunklen Materie zu verstehen. “

In Zukunft plant das Team, nach Manifestationen hypothetischer schwerer Partikel der dunklen Materie zu suchen, die von anderen theoretischen Modellen vorgeschlagen wurden. Dies erfordert das Arbeiten in verschiedenen Spektralbereichen und die Verwendung anderer Beobachtungstechniken.

Laut Troitsky sind die Beschränkungen für alternative Modelle strenger: „Derzeit ist die ganze Welt auf der Suche nach Partikeln der dunklen Materie. Dies ist eines der großen Geheimnisse der Teilchenphysik.

„Bis heute wird kein Modell als bevorzugt, besser entwickelt oder plausibler in Bezug auf die verfügbaren experimentellen Daten akzeptiert. Wir müssen sie alle testen. Unbequemerweise ist dunkle Materie „dunkel“ in dem Sinne, dass sie kaum mit irgendetwas interagiert, insbesondere mit Licht. “

In einigen Szenarien kann sich dies geringfügig auf die durchlaufenden Lichtwellen auswirken. Andere Szenarien sagen jedoch überhaupt keine Wechselwirkungen zwischen unserer Welt und der Dunklen Materie voraus, außer denen, die durch die Schwerkraft vermittelt werden.

"Dies würde es sehr schwer machen, seine Partikel zu finden", schließt Trotzki.

Nichtsdestotrotz hat diese Schwierigkeit ein vom MIT geführtes Team nicht dazu gebracht, die Suche innerhalb eines bestimmten Massenbereichs einzustellen.

Experimente mit dunkler Materie finden keine Hinweise auf Axionen

Physiker haben den ersten Durchgang eines neuen Experiments durchgeführt, um Axionen zu erkennen - hypothetische Teilchen, von denen vorhergesagt wird, dass sie zu den leichtesten Teilchen im Universum gehören. Wenn sie existieren, wären Axionen praktisch unsichtbar und dennoch unausweichlich - sie bilden 85% der Masse des Universums in Form von dunkler Materie.

Axionen sind insofern besonders ungewöhnlich, als von ihnen erwartet wird, dass sie die Regeln für Elektrizität und Magnetismus auf einer winzigen Ebene ändern. In einem in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichtet das vom MIT geleitete Team, dass das Experiment im ersten Monat der Beobachtungen keine Anzeichen von Axionen im Massenbereich von 0,31 bis 8,3 Nano-Elektronenvolt feststellte.

Dies bedeutet, dass Axionen innerhalb dieses Massenbereichs - das entspricht etwa einem Fünftel der Masse eines Protons - entweder nicht existieren oder einen noch geringeren Einfluss auf Elektrizität und Magnetismus haben als bisher angenommen.

Lindley Winslow, der Hauptforscher des Experiments, sagt: „Dies ist das erste Mal, dass jemand diesen Axionraum direkt betrachtet.

"Wir freuen uns, dass wir jetzt sagen können: 'Wir haben eine Möglichkeit, hier nachzuschauen, und wir wissen, wie wir es besser machen können!'"

Während angenommen wird, dass sie überall sind, wird vorausgesagt, dass Axionen praktisch geisterhaft sind und nur winzige Wechselwirkungen mit irgendetwas anderem im Universum haben.

Winslow, Jerrold R. Zacharias Assistenzprofessor für Karriereentwicklung am MIT, fügt hinzu: „Als dunkle Materie sollten Axionen Ihren Alltag nicht beeinträchtigen.

"Aber es wird angenommen, dass sie Dinge auf kosmologischer Ebene beeinflussen, wie die Expansion des Universums und die Bildung von Galaxien, die wir am Nachthimmel sehen."

Eine künstlerische Interpretation eines Magnetars im Sternhaufen Westerlund 1 - um den herum Axionen ungewöhnliches Verhalten zeigen würden (ESO)

Aufgrund ihrer Wechselwirkung mit dem Elektromagnetismus wird angenommen, dass Axionen ein überraschendes Verhalten gegenüber Magnetaren aufweisen - eine Art Neutronenstern, der ein enorm starkes Magnetfeld aufwirbelt. Wenn Axionen vorhanden sind, können sie das Magnetfeld des Magnetars nutzen, um sich in Radiowellen umzuwandeln, die mit speziellen Teleskopen auf der Erde erfasst werden können.

2016 erstellte ein Trio von MIT-Theoretikern ein Gedankenexperiment zur Erkennung von Axionen, das vom Magnetar inspiriert war. Das Experiment wurde ABRACADABRA für den A-Breitband- / Resonanzansatz zur Detektion kosmischer Axionen mit einem verstärkenden B-Feld-Ringgerät genannt und von Thaler konzipiert, einem außerordentlichen Professor für Physik und Forscher im Labor für Nuklearwissenschaften und der Zentrum für Theoretische Physik, zusammen mit Benjamin Safdi, damals MIT Pappalardo Fellow, und dem ehemaligen Doktoranden Yonatan Kahn.

Das Team schlug ein Design für einen kleinen, donutförmigen Magneten vor, der in einem Kühlschrank bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt aufbewahrt wird. Ohne Axionen sollte es kein Magnetfeld in der Mitte des Donuts geben, oder, wie Winslow es ausdrückt, "wo der Munchkin sein sollte". Wenn jedoch Axionen vorhanden sind, sollte ein Detektor ein Magnetfeld in der Mitte des Donuts „sehen“

Nachdem die Gruppe ihren theoretischen Entwurf veröffentlicht hatte, machte sich der Experimentator Winslow daran, Wege zu finden, um das Experiment tatsächlich aufzubauen.

Sie sagt: „Wir wollten nach einem Signal eines Axions suchen, bei dem es, wenn wir es sehen, wirklich das Axion ist.

„Das war elegant an diesem Experiment. Wenn Sie dieses Magnetfeld gesehen haben, könnte es technisch gesehen nur das Axion sein, aufgrund der besonderen Geometrie, an die sie gedacht haben. “

Es ist ein herausforderndes Experiment, da das erwartete Signal weniger als 20 Atto-Tesla beträgt. Als Referenz beträgt das Erdmagnetfeld 30 Mikro-Tesla und die menschlichen Gehirnwellen 1 Pico-Tesla.

Bei der Erstellung des Experiments mussten sich Winslow und ihre Kollegen mit zwei großen Designherausforderungen auseinandersetzen, von denen die erste den Kühlschrank betraf, mit dem das gesamte Experiment bei ultrakalten Temperaturen gehalten wurde. Der Kühlschrank enthielt ein System mechanischer Pumpen, deren Aktivität sehr leichte Vibrationen erzeugen konnte, von denen Winslow befürchtete, dass sie ein Axionssignal maskieren könnten.

Die zweite Herausforderung betraf Umgebungsgeräusche wie nahegelegene Radiosender, ein- und ausschaltende Elektronik im gesamten Gebäude und sogar LED-Leuchten an Computern und Elektronik, die alle konkurrierende Magnetfelder erzeugen könnten.

Das Team löste das erste Problem, indem es den gesamten Apparat mit einem Faden aufhängte, der so dünn wie Zahnseide war. Das zweite Problem wurde durch eine Kombination aus kalter supraleitender Abschirmung und warmer Abschirmung an der Außenseite des Experiments gelöst.

"Wir konnten dann endlich Daten aufnehmen, und es gab eine süße Region, in der wir uns über den Vibrationen des Kühlschranks und unter den Umgebungsgeräuschen befanden, die wahrscheinlich von unseren Nachbarn kamen, in denen wir das Experiment durchführen konnten."

Die Forscher führten zunächst eine Reihe von Tests durch, um zu bestätigen, dass das Experiment funktionierte und Magnetfelder genau zeigte. Der wichtigste Test war die Injektion eines Magnetfelds, um ein falsches Axion zu simulieren und um festzustellen, dass der Detektor des Experiments das erwartete Signal erzeugte - was darauf hinweist, dass ein reales Axion, das mit dem Experiment interagiert, erkannt würde. Zu diesem Zeitpunkt war das Experiment fertig.

Winslow sagt: „Wenn Sie die Daten nehmen und über ein Audioprogramm ausführen, können Sie die Geräusche hören, die der Kühlschrank macht

„Wir sehen auch andere Geräusche von jemandem nebenan, der etwas tut, und dann verschwinden diese Geräusche. Und wenn wir uns diesen Sweet Spot ansehen, hält er zusammen, wir verstehen, wie der Detektor funktioniert, und er wird leise genug, um die Axionen zu hören. “

ABRACADABRA-10cm erste Installation mit dem abgeschirmten Magneten, der am Boden des Verdünnungskühlschranks hängt (Outlet [MIT])

Im Jahr 2018 führte das Team den ersten Lauf von ABRACADABRA durch, bei dem zwischen Juli und August kontinuierlich Proben entnommen wurden. Nach der Analyse der Daten aus diesem Zeitraum fanden sie keine Hinweise auf Axionen im Massenbereich von 0,31 bis 8,3 Nanoelektronenvolt, die Elektrizität und Magnetismus um mehr als einen Teil von 10 Milliarden verändern.

Das Experiment wurde entwickelt, um Axionen mit noch kleineren Massen bis zu etwa 1 Femto-Elektronenvolt sowie Axionen mit einer Größe von bis zu 1 Mikroelektronenvolt zu erfassen.

Das Team wird das aktuelle Experiment, das etwa die Größe eines Basketballs hat, fortsetzen, um nach noch kleineren und schwächeren Achsen zu suchen. In der Zwischenzeit ist Winslow dabei herauszufinden, wie das Experiment auf die Größe eines Kleinwagens skaliert werden kann - Abmessungen, die die Erkennung noch schwächerer Achsen ermöglichen könnten.

Winslow fasst zusammen: „In den nächsten Phasen des Experiments besteht die reale Möglichkeit einer großen Entdeckung.

„Was uns motiviert, ist die Möglichkeit, etwas zu sehen, das das Feld verändern würde. Es ist eine Physik mit hohem Risiko und hoher Belohnung. “

Quellen

"Eine zweite Galaxie, der dunkle Materie in der NGC 1052-Gruppe fehlt" https://iopscience-iop-org.libezproxy.open.ac.uk/article/10.3847/2041-8213/ab0d92

'Noch fehlende Dunkle Materie: KCWI Hochauflösende Sternkinematik von NGC1052-DF2' https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0e8c

'Einschränkung der Photonenkopplung ultraleichter axionartiger Teilchen der dunklen Materie durch Polarisationsvariationen von Jets im Parsec-Maßstab in aktiven Galaxien' https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2019/02/ 059 / meta

'Erste Ergebnisse von ABRACADABRA-10 cm: Eine Suche nach dunkler Materie unter μeVAxion' https://journals-aps-org.libezproxy.open.ac.uk/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.121802