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 ohne dunkle Materie und mit Einschränkungen für die Eigenschaften der dunklen Materie entdeckt. Während ein möglicher Kandidat - der Axion - noch fehlt.

Zwei weitere Galaxien ohne dunkle Materie entdeckt

In zwei separaten Studien haben Forscher begonnen, unser Wissen über die 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 ironisch anmutenden Entwicklung haben Forscher zwei weitere Galaxien entdeckt, die scheinbar keine dunkle Materie enthalten. Etwas, das die Existenz der Substanz tatsächlich bestätigt, anstatt ihre Eigenschaften mit einem überarbeiteten Gravitationsmodell zu erklären.

Die im Astrophysical Journal Letters veröffentlichte Studie baut auf der Beobachtung einer Galaxie im letzten Jahr auf, die keinen sichtbaren Gehalt an dunkler Materie aufweist. 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 letztes Jahr die 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 denkbaren Kontrollen durchgeführt haben, hatten wir die Befürchtung, dass die Natur uns zu einer Schleife gezwungen und sich verschworen hat, 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 enthält. Zusätzlich zu dieser Studie enthüllte eine andere Studie, die in derselben Zeitschrift veröffentlicht wurde, Einzelheiten zu DF4, aber auch eine andere Galaxie - diese eine dunkle und diffuse - ohne erkennbare dunkle Materie.

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

Sowohl DF2 als auch DF4 sind Teil einer relativ neuen Klasse von Galaxien, die als ultradiffuse Galaxien (UDGs) bezeichnet werden. Sie sind so groß wie die Milchstraße, haben aber zwischen 100 und 1.000 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 nur völlig neu ist, ist so faszinierend.

"Niemand wusste, dass es solche Galaxien gibt, 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 niemand dachte."

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

Wie oben erwähnt, bestärkt die Ironie dieser Entdeckungen die Argumente für die Existenz dunkler Materie. Dies liegt daran, dass die Auswirkungen der Dunklen Materie nicht an die normale Materie gekoppelt sind - wie wir es erwarten würden, wenn diese Eigenschaften nur Macken in unserem Verständnis der Schwerkraft 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 zusammenwirken. Wir hoffen, dass wir damit einen Schritt weiter kommen, um eines der größten Rätsel in unserem Universum zu verstehen - die Natur der dunklen Materie. “

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

Physiker legen der Dunklen Materie Beschränkungen auf

Forscher aus Russland, Finnland und den USA haben das theoretische Modell der Teilchen der dunklen Materie eingeschränkt, indem sie Daten aus astronomischen Beobachtungen aktiver galaktischer Kerne analysierten. Die neuen Erkenntnisse sind ein zusätzlicher Anreiz für Forschergruppen auf der ganzen Welt, das Geheimnis der Dunklen Materie zu lüften: Niemand weiß genau, woraus sie besteht. Der Artikel wurde im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht.

Dieses Bild von Centaurus A, einer der erdnächsten aktiven Galaxien, kombiniert die Daten von 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 die Dunkle Materie besteht, ist für die moderne Teilchenphysik von entscheidender Bedeutung. Trotz der Erwartung, dass Teilchen der dunklen Materie beim Large Hadron Collider entdeckt würden, 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 bildet sie etwas anderes als die Partikel im Standardmodell.

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 um 40 Größenordnungen größere Masse als das leichteste.

Ein theoretisches Modell behandelt dunkle Materie als aus ultraleichten Teilchen zusammengesetzt - wie z. B. 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 wechselwirken würden, was es außerordentlich schwierig macht, sie zu untersuchen. Daher wenden sich die Forscher astronomischen Beobachtungen zu.

Sergey Troitsky, Mitautor der Arbeit 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. Diese Vorstellung ist für das Modell, das wir testen wollten, von entscheidender Bedeutung.

„Die Wechselwirkung mit der Gravitation 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 wir sie durch Quantenkorrekturen davor schützen, effektive Masse zu erreichen. “

Berechnungen zeigen, dass eine mögliche Antwort darin besteht, dass diese Partikel schwach mit Photonen, dh mit elektromagnetischer Strahlung, interagieren. Dies bietet eine viel einfachere Möglichkeit, sie zu untersuchen: durch Beobachtung der elektromagnetischen 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 oszilliert kohärent über Domänen mit einer Größe in der Größenordnung von 100 Parsec (ca. 325 Lichtjahre).

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 durchläuft, schwingt die Ebene der Strahlungspolarisation mit derselben Periode. Wenn solche periodischen Veränderungen tatsächlich eintreten, können sie durch astronomische Beobachtungen aufgedeckt werden. Und die Länge der Periode - ein Erdjahr - ist sehr günstig, da viele astronomische Objekte über mehrere Jahre beobachtet werden, was ausreicht, um die Polarisationsänderungen zu manifestieren.

Die Autoren der Arbeit verwendeten Daten von erdgestützten Radioteleskopen, weil sie während eines Beobachtungszyklus mehrmals zu denselben astronomischen Objekten zurückkehren. Solche Teleskope können entfernte aktive galaktische Kerne beobachten - Regionen von überhitztem Plasma in der Nähe der Zentren von Galaxien. Diese Regionen emittieren stark polarisierte Strahlung. Indem man sie beobachtet, kann man die Änderung des Polarisationswinkels über mehrere Jahre verfolgen.

Troitsky fährt fort: „Anfangs 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 oszillierten, aber trotzdem waren die Perioden nie dieselben.

„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, Co-Autor des Studien- und Laborleiters am Moskauer Institut für Physik und Technologie und am Lebedev Physical Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften, ist äußerst aufgeregt über die Aussicht.

Er sagt: „Stell dir 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 der Zukunft plant das Team, nach Erscheinungsformen hypothetischer schwerer Teilchen der dunklen Materie zu suchen, die von anderen theoretischen Modellen vorgeschlagen werden. Dies erfordert das Arbeiten in verschiedenen Spektralbereichen und die Verwendung anderer Beobachtungstechniken.

Troitsky zufolge sind die Einschränkungen für alternative Modelle strenger: „Im Moment 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 hinsichtlich der verfügbaren experimentellen Daten als favorisiert, besser entwickelt oder plausibler akzeptiert. Wir müssen sie alle testen. Unbequemerweise ist dunkle Materie „dunkel“ in dem Sinne, dass sie kaum mit irgendetwas interagiert, insbesondere nicht mit Licht. “

In einigen Szenarien kann dies leichte Auswirkungen auf die durchlaufenden Lichtwellen haben. 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 Troitsky.

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

Dunkle Materie Experimente finden keine Hinweise auf Axionen

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

Axionen sind insofern besonders ungewöhnlich, als erwartet wird, dass sie die Regeln für Elektrizität und Magnetismus auf einer winzigen Ebene ändern. In einem in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichtet das MIT-Team, dass das Experiment im ersten Beobachtungsmonat 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 Zehntel 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 Axion-Raum direkt betrachtet.

"Wir freuen uns, dass wir jetzt sagen können:" Wir haben eine Möglichkeit, hierher zu schauen, 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 Assistent für Karriereentwicklung am MIT, fügt hinzu: "Als dunkle Materie sollten Axionen keinen Einfluss auf Ihren Alltag haben.

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

Eine künstlerische Interpretation eines Magnetars im Sternhaufen Westerlund 1 - um den sich Axionen ungewöhnlich verhalten würden (ESO)

Aufgrund ihrer Wechselwirkung mit dem Elektromagnetismus wird angenommen, dass Axionen ein überraschendes Verhalten in Bezug auf Magnetare zeigen - eine Art Neutronenstern, der ein enorm starkes Magnetfeld erzeugt. Wenn Axionen vorhanden sind, können sie das Magnetfeld des Magnetars ausnutzen, 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 als ABRACADABRA für den breitbandigen / resonanten Ansatz zur Detektion kosmischer Axionen mit einem verstärkenden B-Feld-Ring-Apparat bezeichnet und von Thaler konzipiert, einem assoziierten Professor für Physik und einem Forscher am Labor für Nuklearwissenschaft und dem Center for Theoretical Physics, zusammen mit Benjamin Safdi, damals MIT Pappalardo Fellow, und dem ehemaligen Doktoranden Yonatan Kahn.

Das Team schlug einen Entwurf für einen kleinen, ringförmigen Magneten vor, der bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt im Kühlschrank aufbewahrt wird. Ohne Axionen sollte es in der Mitte des Donuts kein Magnetfeld geben, oder, wie Winslow sagt, "wo der Munchkin sein sollte". Wenn Axionen existieren, sollte ein Detektor jedoch ein Magnetfeld in der Mitte des Donuts "sehen" der Donut

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

Sie sagt: "Wir wollten nach einem Signal einer Axion suchen, wo es, wenn wir es sehen, wirklich die Axion ist."

"Das war elegant an diesem Experiment. Technisch gesehen könnte dieses Magnetfeld aufgrund der speziellen Geometrie, an die sie dachten, nur die Axion sein. “

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

Bei der Erstellung des Experiments mussten sich Winslow und ihre Kollegen mit zwei Hauptherausforderungen auseinandersetzen, von denen die erste den Kühlschrank betraf, mit dem das gesamte Experiment auf 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 nahe gelegene Radiosender, das Ein- und Ausschalten von Elektronik im gesamten Gebäude sowie LED-Leuchten an Computern und Elektronik, die alle konkurrierende Magnetfelder erzeugen könnten.

Das Team löste das erste Problem, indem es die gesamte Vorrichtung mit einem Faden aufhängte, der so dünn war wie Zahnseide. Das zweite Problem wurde durch eine Kombination von kalter supraleitender Abschirmung und warmer Abschirmung um die Außenseite des Experiments gelöst.

"Dann konnten wir endlich Daten aufnehmen, und es gab eine süße Region, in der wir uns über den Vibrationen des Kühlschranks befanden und unter den Umgebungsgeräuschen, 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 Einkopplung eines Magnetfelds, um eine gefälschte Axion zu simulieren und um festzustellen, ob der Detektor des Experiments das erwartete Signal erzeugt hat. Zu diesem Zeitpunkt war das Experiment einsatzbereit.

Winslow sagt: „Wenn Sie die Daten mit einem Audioprogramm verarbeiten, können Sie die Geräusche des Kühlschranks hören

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

ABRACADABRA-10cm erste Installation mit dem abgeschirmten Magneten am Boden des Verdünnungskühlschranks (Auslass [MIT])

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

Das Experiment ist darauf ausgelegt, Axionen noch kleinerer Massen bis zu etwa 1 Femto-Elektronenvolt sowie Axionen bis zu 1 Mikro-Elektronenvolt zu erfassen.

Das Team wird das aktuelle Experiment, das etwa die Größe eines Basketballs hat, fortsetzen, um nach noch kleineren und schwächeren Axionen 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 hohem Gewinn. "

Quellen

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

"Dunkle Materie fehlt noch: KCWI-hochauflösende Sternkinematik von NGC1052-DF2" https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0e8c

"Einschränkung der Photonenkopplung ultraleichter axionartiger Teilchen aus dunkler Materie durch Polarisationsänderungen 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 sub-μeVAxion-Dunkler Materie