Ströme dunkler Materie treiben die Häufung von Galaxien und die Bildung einer großräumigen Struktur voran, wie in dieser KIPAC / Stanford-Simulation gezeigt. Bildnachweis: O. Hahn und T. Abel (Simulation); Ralf Kaehler (Visualisierung).

Warum Dunkle Materie?

Es ist das mysteriöseste „Zeug“, das unser Universum hat. Warum sind wir uns so sicher, dass es echt ist?

"Das Universum besteht hauptsächlich aus dunkler Materie und dunkler Energie, und wir wissen nicht, was einer von beiden ist." -Saul Perlmutter

Wenn Sie sich unser Sonnensystem ansehen, werden Sie etwas besonders Überwältigendes bemerken: Die Sonne dominiert alles. In Bezug auf das Licht überstrahlt die Sonne alles andere bei weitem. Die Planeten, Monde, Asteroiden und Kometen können nur das von der Sonne selbst stammende Licht reflektieren, nicht ihr eigenes erzeugen. (Zumindest nicht sichtbares Licht.) In Bezug auf ihren Gravitationseinfluss bestimmt die Sonne die Umlaufbahnen der Planeten, Asteroiden, Kometen und alles andere, wobei nur die außergewöhnlich eng umlaufenden Monde und Ringe anderer Welten von ihrer Schwerkraft dominiert werden. eher als die der Sonne. Und in Bezug auf die Masse macht die Sonne 99,8% von allem im Sonnensystem aus, wobei Jupiter etwa 0,1% ausmacht und alles andere zusammen darum kämpft, selbst das zu erreichen. In unserer Nachbarschaft dominiert die Sonne sowohl die Lichtleistung als auch die Gravitationseffekte von allem, zu dem wir Zugang haben.

Der Koma-Galaxienhaufen, der dichteste und reichste Galaxienhaufen in der Nähe, nur 330 Millionen Lichtjahre entfernt. Bildnachweis: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universität von Arizona, unter cc-by-sa-3.0.

Als in den 1920er Jahren entdeckt wurde, dass wir in einem riesigen Universum lebten, das mit anderen Galaxien als unseren gefüllt war, war es nur natürlich zu testen, ob sich diese Beziehung auf die größten Strukturen erstreckte, die wir jemals gefunden hatten: Galaxienhaufen. 1933 wagte der Schweizer Astronom Fritz Zwicky genau das, indem er den damals reichsten und massereichsten Galaxienhaufen, den Koma-Haufen, maß. Indem er das gesamte Sternenlicht dieser Galaxien beobachtete und unser Wissen über die Funktionsweise von Sternen nutzte, konnte er einen Wert dafür erhalten, wie viel Masse aufgrund von Sternen im gesamten Cluster vorhanden ist. Und indem er die Bewegungen dieser einzelnen Galaxien - ihre relativen Rotverschiebungen und Blauverschiebungen - beobachtete, konnte er einen Wert für die Menge an Masse erhalten, die sich aus der Gravitation im gesamten Cluster ergibt.

Die Geschwindigkeiten der Galaxien im Koma-Cluster, aus denen die Gesamtmasse des Clusters abgeleitet werden kann, um ihn gravitativ gebunden zu halten. Bildnachweis: G. Gavazzi, (1987). Astrophysical Journal, 320, 96.

Sie können dieselbe Messung heute mit modernen Teleskopen und unserem heutigen Wissen über Sterne und Schwerkraft durchführen, und Sie erhalten zwei Zahlen, die denen von Zwicky ähnlich sind. Was Sie finden würden, ist, dass die Masse in Sternen Ihnen eine Zahl gibt und die Masse aus der Schwerkraft Ihnen eine größere Zahl gibt. Auch keine um ein bisschen größere Zahl: eine, die um den Faktor fünfzig größer war.

Zwicky wusste, dass sich etwas nicht summierte, und behauptete, selbst wenn es mehr Gas, Staub, ionisiertes Plasma, Planeten, Schwarze Löcher und andere Arten von „normaler“ Materie gäbe, würde dies diese große Diskrepanz wahrscheinlich nicht erklären . Er prägte einen Begriff dafür, warum diese beiden Zahlen möglicherweise nicht übereinstimmen, dunkles Material oder dunkle Materie. Aber obwohl er diese Beobachtungen vor 40 Jahren gemacht hat, würde die überwiegende Mehrheit der astronomischen Gemeinschaft die Ergebnisse nicht ernst nehmen. Die Vorstellung, dass andere Formen normaler Materie den Unterschied ausmachen würden, war die vorherrschende, trotz unserer Unfähigkeit, tatsächlich fast genug Materie zu finden, trotz Fortschritten in der Astronomie bei anderen, nicht sichtbaren Wellenlängen. Erst in den 1970er Jahren begann Vera Rubin zu beobachten, wie sich einzelne Randgalaxien drehen.

Rotationskurve der Galaxie Messier 33; Beachten Sie die Abweichung von der Kurve, die allein durch die Schwerkraft der Sterne vorhergesagt wird. Bildnachweis: gemeinfreies Bild, erstellt von Stefania.deluca.

Was sie fand, war, dass sich im Gegensatz zu unserem Sonnensystem, in dem die Sonnenmasse dominiert und Merkur mit fast der zehnfachen Geschwindigkeit des äußersten Planeten um die Sonne fliegt, Neptun, die inneren Teile und die äußeren Teile der Galaxien mit der gleichen Geschwindigkeit drehten. Es muss mehr Masse geben als die Sterne selbst anzeigen. Es ist möglich, dass die Gesetze der Schwerkraft in sehr großen Entfernungen falsch waren, aber die wichtigste Erklärung war die, die Zwicky vor 40 Jahren erfunden hatte: Es muss irgendeine Form von dunkler Materie geben. Im Laufe der Jahre häuften sich zusätzliche Beweise.

Gas und Staub im Nebel IC 2944, zusammen mit neuen Sternen. Bildnachweis: NASA / ESA und The Hubble Heritage Team (STScI / AURA).

Zum einen haben wir die Dichte von Gas, Staub, Plasma, Schwarzen Löchern, ausgefallenen Sternen und mehr direkt gemessen und festgestellt, dass sie bei Zwickys ursprünglicher Nichtübereinstimmung helfen. Nun, sie helfen ein bisschen; anstatt eines Faktors von fünfzig sank die Nichtübereinstimmung auf einen Faktor von ungefähr sechs. Dennoch waren 85% der Masse des Universums nicht nur ungeklärt, sondern konnten auch mit keinem der bekannten Teilchen erklärt werden. Wir gingen noch weiter und maßen die großräumige Struktur des Universums - das komplizierte kosmische Netz, das seit dem Urknall durch Gravitation gebildet wurde - und fanden eine schöne, netzartige Struktur mit Klumpen, Clustern und Hohlräumen, umrissen und durch Filamente miteinander verbunden. Auch dies war eine Ansicht des Universums, die dunkle Materie erfordert, und zwar im gleichen Verhältnis: etwa 5 zu 1.

Die Häufung von Galaxien im Universum auf den größten beobachtbaren Skalen, wobei jedes Pixel eine Galaxie darstellt. Bildnachweis: Zusammenarbeit von Michael Blanton und SDSS.

Als wir endlich die Fähigkeit entwickelten, das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls mit unglaublicher, hoher Präzision zu messen, entdeckten wir dort ein Spektrum von Temperaturschwankungen. Als die Sache des frühen Universums versuchte, sich zu verklumpen, wirkte sich der Druck der heißen Strahlung auf verschiedenen Skalen auseinander. Die Muster in diesen Schwankungen hängen jedoch stark davon ab, ob es sich bei dieser Materie um normale Materie oder um eine nicht wechselwirkende, dunkle Art von Materie handelt, und was wir sahen, erforderte beides, wobei dunkle Materie dominierte. Wiederum entstand das gleiche Bild eines Universums mit einem Verhältnis von dunkler Materie zu normaler Materie von ungefähr 5 zu 1 oder 6 zu 1.

Die Schwankungen über den gesamten Himmel im kosmischen Mikrowellenhintergrund, das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls. Bildnachweis: ESA und die Planck-Zusammenarbeit.

Der spektakulärste Beweis für dunkle Materie kam jedoch 2005, als ein Team Beweise dafür feststellte, dass zwei Galaxienhaufen mit enormen Geschwindigkeiten zusammengestoßen waren. Die einzelnen Galaxien selbst passierten sich größtenteils ohne Interaktion, ähnlich wie bei zwei mit Vogelschuss gefüllten Kanonen, die aufeinander abgefeuert wurden, die meisten Kugeln völlig verfehlt würden. Das Gas und der Staub in den Galaxien und Clustern würden jedoch irgendwo in der Mitte interagieren, sich erwärmen, verlangsamen und Röntgenstrahlen aussenden. Aber wenn dunkle Materie - diese massive, nicht wechselwirkende, unsichtbare Form von Materie - diese Cluster dominierte, sollte sie nicht dort sein, wo sich Gas und Staub befinden, sondern gut von ihr getrennt sein. Dunkle Materie sollte anders und an einem anderen Ort als normale Materie erscheinen.

Der Bullet Cluster, die ersten kollidierenden Galaxienhaufen, die die Trennung zwischen normaler Materie (rosa, von den Röntgenstrahlen) und dunkler Materie (blau, von Gravitationslinsen) zeigen. Bildnachweis: Röntgen: NASA / CXC / CfA / M. Markevitch et al.; Objektivkarte: NASA / STScI; ESO WFI; Magellan / U. Arizona / D. Clowe et al. Optisch: NASA / STScI; Magellan / U. Arizona / D. Clowe et al.

Dank der Kraft der Gravitationslinse, bei der die dazwischenliegende Masse wie eine Linse für das Hintergrundlicht wirkt, es verzerrt und vergrößert, konnten wir die Masse rekonstruieren. Und siehe da, es schien (in blau) gut getrennt von der Stelle zu sein, an der sich die Röntgenstrahlen und damit das Gas (in rosa) befanden. Und wenn wir rekonstruieren, wie viel von dieser Masse in Form von dunkler Materie vorhanden ist, stellen wir fest, dass es fast alles ist. Auch hier kann normale Materie, selbst wenn wir die Gesetze der Schwerkraft ändern, diese Beobachtungen nicht erklären. Schneller Vorlauf bis heute, und wir haben eine große Anzahl dieser kollidierenden Cluster gefunden, die alle die gleiche Trennung zwischen der röntgenstrahlemittierenden normalen Materie und der Masse in Form von dunkler Materie aufweisen.

Vier kollidierende Galaxienhaufen, die die Trennung zwischen Röntgenstrahlen (rosa) und Gravitation (blau) zeigen. Bildnachweis: Röntgen: NASA / CXC / UVic. / A. Mahdavi et al. Optisch / Linse: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (oben links); Röntgen: NASA / CXC / UCDavis / W. Dawson et al.; Optisch: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson et al. (oben rechts); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Mailand, Italien) / CFHTLS (unten links); Röntgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universität von Kalifornien, Santa Barbara) und S. Allen (Stanford University) (unten rechts).

Es ist möglich, dass wir in naher Zukunft oder für viele Jahrzehnte nicht das schwer fassbare Teilchen finden, das für die dunkle Materie verantwortlich ist. Es ist sehr wahrscheinlich, dass dunkle Materie die richtige Erklärung ist, aber vielleicht kommt die richtige Modifikation von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die auch all diese Beobachtungen erklärt, anstatt nur die rotierenden, einzelnen Galaxien. Wie immer ist Wissenschaft ein fortlaufender Prozess, aber dies sind einige der überzeugendsten Gründe, die Teil der gesamten Reihe von Beweisen sind, die wir berücksichtigen müssen, wenn wir bewerten, ob unser Universum dunkle Materie benötigt. Zu diesem Zeitpunkt ist dies die einzige Antwort, die funktioniert.

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