Die neuesten Dark Matter-Entwicklungen

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 fehlt, und die Eigenschaften der dunklen Materie sind eingeschränkt. Ein möglicher Kandidat - das Axion - fehlt noch.

Zwei weitere Galaxien ohne dunkle Materie entdeckt

In zwei separaten Studien haben die Forscher begonnen, unser Wissen über die Dunkle Materie - die Substanz, die zwischen 70 und 90% der Masse des sichtbaren Universums ausmacht - weiter auszubauen.

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 scheinbar keine dunkle Materie enthalten. Etwas, das die Existenz der Substanz tatsächlich unterstützt - anstatt ihre Eigenschaften mit einem überarbeiteten Modell der Schwerkraft zu erklären.

Die in den Astrophysical Journal Letters veröffentlichte Forschung baut auf der Beobachtung einer Galaxie auf, die im letzten Jahr keinen scheinbaren dunklen Stoff enthielt. Die Entdeckung hatte die Astronomen zumindest skeptisch gelassen, da dies die einzige Beobachtung dieser Art war.

Der Astronom Pieter van Dokkum von der Yale University, der im letzten Jahr die Studie leitete, stellte fest: "Wenn es nur einen Gegenstand gibt, haben Sie immer eine kleine Stimme im Hinterkopf und sagen:" Aber was ist, wenn Sie sich irren?

"Obwohl wir alle Überprüfungen gemacht haben, die wir uns vorstellen konnten, waren wir besorgt, dass die Natur uns für eine Schleife geworfen hatte und verschworen hatte, um etwas wirklich besonderes aussehen zu lassen, während es wirklich etwas banaler war."

Die neue Arbeit konzentriert sich auf eine geisterhafte Galaxie, die 60 Millionen Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt ist - NGC 1052-DF2 (DF2) -, die keine erkennbare dunkle Materie aufweist. Zusätzlich zu dieser Studie enthüllte eine andere in derselben Zeitschrift veröffentlichte Studie Details über DF4, eine weitere Galaxie - diese düstere und diffuse - ohne sichtbare 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 deutet an, dass es viel mehr über die Evolution von Galaxien zu lernen gibt.

Sowohl DF2 als auch DF4 sind Teil einer relativ neuen Klasse von Galaxien, der sogenannten ultradiffusen Galaxien (UDGs). Sie sind so groß wie die Milchstraße, haben aber zwischen 100 und 1.000 Mal weniger Sterne. Dadurch erscheinen sie flauschig und durchscheinend - und schwer zu beobachten.

Shany Danieli, ein Doktorand an der Yale University und der Hauptautor der DF2-Studie, sagt:

"Niemand wusste, dass es solche Galaxien gab, und das Beste für einen Astronomiestudenten auf der Welt ist es, ein Objekt zu entdecken - sei es ein Planet, ein Stern oder eine Galaxie -, von dem niemand wusste oder darüber nachdachte."

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 Wirkung der dunklen Materie erklärt werden kann (Berg)

Wie bereits erwähnt, stärkt die Ironie dieser Entdeckungen die Argumente für die Existenz dunkler Materie. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Auswirkungen der dunklen Materie nicht an die normale Materie gekoppelt sind - wie wir es erwarten würden, wenn diese Eigenschaften in unserem Verständnis der Schwerkraft nur Macken wären.

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

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

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

Während sich diese Studien auf Galaxien konzentrierten, bei denen dunkle Materie fehlte, konzentrierte sich eine weitere, ebenfalls in diesem Monat veröffentlichte Studie darauf, mögliche Kandidaten für dunkle Materie auszuschalten.

Physiker setzen der dunklen Materie Grenzen

Forscher aus Russland, Finnland und den USA haben das theoretische Modell von Partikeln der dunklen Materie durch die Analyse von Daten astronomischer Beobachtungen aktiver galaktischer Kerne eingeschränkt. Die neuen Erkenntnisse liefern einen zusätzlichen Anreiz für Forschergruppen auf der ganzen Welt, die versuchen, das Geheimnis der dunklen Materie zu knacken: Niemand ist sich ganz sicher, woraus er besteht. Das Papier wurde im Journal of Cosmology und Astroteilchenphysik veröffentlicht.

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

Die Frage, welche Teilchen dunkle Materie ausmachen, ist für die moderne Teilchenphysik von entscheidender Bedeutung. Trotz der Erwartung, dass beim Large Hadron Collider Partikel der dunklen Materie entdeckt werden, ist dies nicht der Fall.

Eine Reihe von damals vorherrschenden Hypothesen über die Natur der dunklen Materie musste abgelehnt werden. Verschiedene Beobachtungen deuten darauf hin, dass dunkle Materie existiert, aber offensichtlich ist dies etwas anderes als die Partikel im Standardmodell.

Physiker müssen daher weitere, komplexere Optionen in Betracht ziehen. Das Standardmodell muss erweitert werden. Zu den Kandidaten für den Einschluss gehören hypothetische Teilchen, die Massen im Bereich des 100- bis 10-fachen der Masse des Elektrons haben können, wie etwa 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 Partikeln zusammengesetzt - wie zum Beispiel Axionen, der Fokus des nächsten Abschnitts. Dies bietet eine Erklärung für zahlreiche astronomische Beobachtungen. Solche Teilchen wären jedoch so leicht, dass sie sehr schwach mit anderen Materialien und Licht interagieren würden, so dass sie außerordentlich schwer zu untersuchen wären. Die Forscher wenden sich also astronomischen Beobachtungen zu.

Sergey Troitsky, Mitautor der Zeitung und Chefforscher am Institut für Nuklearforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften, sagt: „Wir sprechen von dunklen Materieteilchen, die 28 Größenordnungen leichter sind als das Elektron. Dieser Begriff ist für das von uns getestete Modell von entscheidender Bedeutung.

„Die Wechselwirkung mit der Schwerkraft verrät die Präsenz der dunklen Materie. Wenn wir die gesamte Masse der dunklen Materie in Bezug auf ultraleichte Teilchen erklären, würde dies bedeuten, dass es eine enorme Anzahl von ihnen gibt. Bei so leichten Partikeln stellt sich jedoch die Frage: Wie schützen wir sie vor der Gewinnung wirksamer Masse aufgrund von Quantenkorrekturen? "

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

Was die Schwingungsperiode bestimmt, ist die Masse der Teilchen. Wenn das von den Autoren betrachtete 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 Änderungen tatsächlich auftreten, können astronomische Beobachtungen sie aufdecken. Und die Länge der Periode - ein terrestrisches Jahr - ist sehr günstig, da viele astronomische Objekte über mehrere Jahre hinweg beobachtet werden, was ausreicht, um die Polarisationsänderungen zu manifestieren.

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

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

„Das bedeutet, dass die Wechselwirkung unserer ultraleichten Teilchen 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 der Studie und Labordirektor am Moskauer Institut für Physik und Technologie und Lebedev Physical Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften, ist äußerst gespannt auf 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 und hochauflösenden Polarisationsmessungen sind plötzlich nützlich, um die Natur der dunklen Materie zu verstehen. “

In der Zukunft plant das Team, nach Manifestationen von hypothetischen schwereren dunklen Materiepartikeln zu suchen, die von anderen theoretischen Modellen vorgeschlagen wurden. Dies erfordert das Arbeiten in unterschiedlichen Spektralbereichen und die Verwendung anderer Beobachtungstechniken.

Troitsky zufolge sind die Einschränkungen bei alternativen Modellen strenger: „Im Moment ist die ganze Welt auf der Suche nach Partikeln der dunklen Materie. Dies ist eines der großen Mysterien der Teilchenphysik.

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

In einigen Szenarien kann es einen leichten Einfluss auf durchlaufende Lichtwellen haben. Andere Szenarien sagen jedoch keinerlei Interaktionen zwischen unserer Welt und der Dunklen Materie voraus, außer den durch die Schwerkraft vermittelten.

"Dies würde die Partikel sehr schwer finden", schließt Troitsky.

Dennoch hat diese Schwierigkeit ein MIT-geführtes Team nicht dazu bewegt, die Suche innerhalb eines bestimmten Massenbereichs zu beenden.

Experimente der dunklen Materie finden keine Hinweise auf Axionen

Physiker haben den ersten Durchlauf eines neuen Experiments durchgeführt, um Axionen zu detektieren - hypothetische Teilchen, von denen angenommen wurde, dass sie zu den leichtesten Teilchen im Universum gehören. Wenn sie existieren, wären Axionen praktisch unsichtbar, aber unvermeidlich - sie bilden 85% der Masse des Universums in Form von dunkler Materie.

Axions sind besonders ungewöhnlich, da von ihnen erwartet wird, dass sie die Regeln für Elektrizität und Magnetismus auf minutiöser Ebene verändern. In einem in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichtet das MIT-geführte 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 Fünftel der Masse eines Protons - entweder nicht vorhanden sind 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 hat.

"Wir freuen uns, dass wir jetzt sagen können:" Wir haben hier einen Weg, und wir wissen, wie wir es besser machen können! "

Obwohl angenommen wird, dass sie überall sind, wird angenommen, dass Axionen praktisch geisterhaft sind und nur winzige Interaktionen mit anderen Elementen im Universum haben.

Winslow, Jerrold R. Zacharias Assistent für Laufbahnentwicklung am MIT, fügt hinzu: „Als dunkle Materie sollten Axionen keinen Einfluss auf Ihren Alltag haben.

"Aber man nimmt an, dass sie die Dinge auf kosmologischer Ebene beeinflussen, wie die Erweiterung des Universums und die Bildung von Galaxien, die wir am Nachthimmel sehen."

Eine Künstlerinterpretation eines Magnetars im Sternhaufen Westerlund 1 - um die Axionen ungewöhnliches Verhalten zeigen würden (ESO)

Aufgrund ihrer Wechselwirkung mit dem Elektromagnetismus wird angenommen, dass Axionen ein überraschendes Verhalten um Magnetare haben - 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.

Im Jahr 2016 erstellte ein Trio von MIT-Theoretikern ein Gedankenexperiment zur Erkennung von Axionen, das vom Magnetar inspiriert wurde. Das Experiment wurde ABRACADABRA für den A-Breitband- / Resonanz-Ansatz für die Detektion kosmischer Achsen mit einem B-Feld-Ringapparat genannt und wurde von Thaler konzipiert, einem assoziierten Professor für Physik und Forscher am Labor für Nuklearwissenschaft und am Zentrum für Theoretische Physik, zusammen mit Benjamin Safdi, dann MIT Pappalardo Fellow und ehemaliger Doktorand Yonatan Kahn.

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

Nachdem die Gruppe ihr theoretisches Design veröffentlicht hatte, suchte der Experimentator Winslow nach Wegen, um das Experiment tatsächlich aufzubauen.

Sie sagt: „Wir wollten ein Signal von einem Axion suchen, wo es, wenn wir es sehen, wirklich das Axion ist.

„Das war das Elegante 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. Zur Information: Das Magnetfeld der Erde beträgt 30 Mikro-Tesla und die menschlichen Gehirnwellen betragen 1 Pico-Tesla.

Beim Aufbau des Experiments mussten sich Winslow und ihre Kollegen mit zwei Hauptentwurfsherausforderungen befassen. Bei der ersten Aufgabe handelte es sich bei dem Kühlschrank darum, das gesamte Experiment bei ultrakalten Temperaturen zu halten. Der Kühlschrank enthielt ein System mechanischer Pumpen, deren Aktivität sehr leichte Vibrationen erzeugen konnte, die Winslow besorgt machte, um ein Axionssignal zu verdecken.

Die zweite Herausforderung war das Rauschen in der Umgebung, z. B. von nahegelegenen Radiosendern, das Ein- und Ausschalten von Elektronik im gesamten Gebäude und sogar LED-Leuchten an Computern und Elektronik, die jeweils Magnetfelder erzeugen können.

Das Team löste das erste Problem, indem es die gesamte Vorrichtung aufhängte und einen so dünnen Zahnfaden wie Zahnseide verwendete. 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 oberhalb der Vibrationen des Kühlschranks befanden und unterhalb der Umgebungsgeräusche, die wahrscheinlich von unseren Nachbarn stammen, 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 bestand in der Injektion eines Magnetfelds, um ein falsches Axion zu simulieren, und um zu sehen, dass der Detektor des Experiments das erwartete Signal erzeugte - was darauf hinweist, dass ein reales Axion mit dem Experiment in Wechselwirkung treten würde. Zu diesem Zeitpunkt war das Experiment fertig.

Winslow sagt: „Wenn Sie die Daten nehmen und durch ein Audioprogramm laufen lassen, hören Sie die Geräusche, die der Kühlschrank erzeugt

„Wir sehen auch andere Geräusche, wenn jemand nebenan etwas tut, und dann geht das Geräusch weg. Und wenn wir uns diesen Sweet Spot ansehen, hält er zusammen, wir verstehen, wie der Detektor funktioniert, und es wird ruhig genug, um die Achsen zu hören. “

ABRACADABRA-10cm erste Installation, wobei der abgeschirmte Magnet an der Unterseite des Verdünnungskühlers hängt (Outlet [MIT])

Im Jahr 2018 führte das Team den ersten Durchlauf von ABRACADABRA durch, wobei zwischen Juli und August kontinuierlich Proben genommen wurden. Nach der Analyse der Daten aus diesem Zeitraum fanden sie keine Anhaltspunkte für Axionen im Massenbereich von 0,31 bis 8,3 Nano-Elektronenvolt, die Elektrizität und Magnetismus um mehr als einen Teil in 10 Milliarden verändern.

Das Experiment dient zum Nachweis von Axionen von noch kleineren Massen bis zu etwa 1 Femto-Elektronenvolt sowie von Axen von bis zu 1 Mikroelektronenvolt.

Das Team wird das aktuelle Experiment, das ungefähr so ​​groß wie ein Basketball ist, fortsetzen, um nach kleineren und schwächeren Achsen zu suchen. Inzwischen ist Winslow dabei, herauszufinden, wie das Experiment auf die Größe eines kompakten Autos skaliert werden kann - Dimensionen, die die Erkennung noch schwächerer Achsen ermöglichen könnten.

Winslow schlussfolgert: „In den nächsten Phasen des Experiments besteht die 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 dunkle Materie der Galaxie in der NGC 1052-Gruppe" https://iopscience-iop-org.libezproxy.open.ac.uk/article/10.3847/2041-8213/ab0d92

"Noch immer fehlt dunkle Materie: KCWI-Stellar-Kinematik von NGC1052-DF2 mit hoher Auflösung"

"Beschränkung der Photonenkopplung von ultralichten, dunklen Materie-Axion-artigen Partikeln durch Polarisationsvariationen von Parsec-Jets 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 mit Sub-μeVAxion“