Ströme dunkler Materie treiben die Anhäufung von Galaxien und die Bildung großräumiger Strukturen 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 also sicher, dass es echt ist?

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

Wenn Sie sich unser Sonnensystem ansehen, werden Sie etwas besonders Überwältigendes bemerken: Die Sonne beherrscht alles. In Bezug auf das Licht überstrahlt die Sonne bei weitem alles andere. Die Planeten, Monde, Asteroiden und Kometen können nur das von der Sonne selbst stammende Licht reflektieren, nicht aber 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 außerordentlich nahe umlaufenden Monde und Ringe anderer Welten von ihrer Schwerkraft dominiert werden. eher als die 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, auch das zu erreichen. In unserer Nachbarschaft dominiert die Sonne sowohl die Lichtausbeute 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 c.c.-by-s.a.-3.0.

Als wir in den 1920er Jahren entdeckten, dass wir in einem riesigen Universum leben, das nicht nur mit unseren eigenen Galaxien gefüllt ist, war es nur natürlich zu testen, ob sich diese Beziehung auf die größten Strukturen erstreckt, die wir jemals gefunden hatten: Galaxienhaufen. Genau das wagte der Schweizer Astronom Fritz Zwicky 1933, indem er den damals reichsten und massereichsten beobachtbaren 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 Haufen vorhanden ist. Durch Beobachtung der Bewegungen dieser einzelnen Galaxien - ihrer relativen Rotverschiebungen und Blauverschiebungen - gelang es ihm, einen Wert dafür zu erhalten, wie viel Masse im gesamten Haufen aufgrund der Gravitation vorhanden ist.

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

Sie können dieselbe Messung heute mit modernen Teleskopen und unserem aktuellen Wissen über Sterne und Schwerkraft durchführen und Sie erhalten zwei Zahlen, die denen von Zwicky ähnlich sind. Sie werden feststellen, dass die Masse in Sternen eine Zahl und die Masse aus der Schwerkraft eine größere Zahl ergibt. Auch keine Nummer, die ein bisschen größer war: eine, die um den Faktor fünfzig größer war.

Zwicky wusste, dass etwas nicht stimmte, und behauptete, dass selbst wenn es dort draußen mehr Gas, Staub, ionisiertes Plasma, Planeten, schwarze Löcher und andere Arten von „normaler“ Materie gäbe, es diese enorme Diskrepanz wahrscheinlich nicht erklären würde . Er prägte einen Begriff, warum diese beiden Zahlen möglicherweise nicht übereinstimmen, Dunkle Materie 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 Fortschritte in der Astronomie bei anderen, nicht sichtbaren Wellenlängen. Es dauerte bis in die 1970er Jahre, bis Vera Rubin zu beobachten begann, wie sich einzelne Galaxien 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.

Sie fand heraus, dass im Gegensatz zu unserem Sonnensystem, wo die Sonnenmasse dominiert und Quecksilber mit fast der zehnfachen Geschwindigkeit des äußersten Planeten, Neptun, die inneren und äußeren Teile der Galaxien sich mit der gleichen Geschwindigkeit drehten, um die Sonne flatterte. Es muss mehr Masse als die angezeigten Sterne geben. Es ist möglich, dass die Gesetze der Schwerkraft bei sehr großen Entfernungen falsch waren, aber die wichtigste Erklärung war die, die Zwicky vor 40 Jahren fand: Es muss irgendeine Form von dunkler Materie geben. Im Laufe der Jahre häuften sich weitere Beweise.

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

Zum einen haben wir die Dichte von Gas, Staub, Plasma, schwarzen Löchern, ausgefallenen Sternen und vielem mehr direkt gemessen und festgestellt, dass sie zu Zwickys ursprünglicher Fehlpaarung beiträgt. Nun, sie helfen ein bisschen. Anstatt um den Faktor fünfzig fiel die Nichtübereinstimmung auf den Faktor sechs oder so. Dennoch waren 85% der Masse des Universums nicht nur ungeklärt, sondern konnten mit keinem der bekannten Partikel erklärt werden. Wir gingen noch weiter und maßen die großräumige Struktur des Universums - das komplizierte kosmische Netz, das sich seit dem Urknall durch Gravitation gebildet hat - 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 in demselben Verhältnis: etwa 5 zu 1.

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

Als wir endlich die Möglichkeit entwickelten, das vom Urknall übrig gebliebene Glühen mit unglaublicher Präzision zu messen, entdeckten wir dort ein Spektrum von Temperaturschwankungen. Als die Materie des frühen Universums zu verklumpen versuchte, drückte der Druck der heißen Strahlung sie auf verschiedenen Ebenen auseinander. Die Muster dieser Schwankungen hängen jedoch stark davon ab, ob es sich bei dieser Materie um normale Materie oder um eine nicht wechselwirkende, dunkle Materie handelt und was wir als beides angesehen haben, wobei die dunkle Materie dominiert. 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 Fluktuationen über den gesamten Himmel im kosmischen Mikrowellenhintergrund, das übrig gebliebene Glühen des Urknalls. Bildnachweis: ESA und die Planck-Kooperation.

Der spektakulärste Beweis für dunkle Materie kam jedoch 2005, als ein Team Beweise dafür entdeckte, dass zwei Galaxienhaufen mit enormer Geschwindigkeit zusammengestoßen waren. Die einzelnen Galaxien selbst gingen größtenteils ohne Wechselwirkung durcheinander, ähnlich wie zwei mit Vogelschuss gefüllte Kanonen, die aufeinander abgefeuert wurden, die meisten Kugeln gänzlich verfehlt hätten. Das Gas und der Staub in den Galaxien und Clustern würden jedoch interagieren, sich erhitzen, verlangsamen und irgendwo in der Mitte Röntgenstrahlen aussenden. Wenn es jedoch dunkle Materie gab - diese massive, nicht wechselwirkende, unsichtbare Form von Materie -, die diese Cluster dominierte, sollte es nicht dort sein, wo sich Gas und Staub befinden, sondern eher getrennt davon. Dunkle Materie sollte anders und an einem anderen Ort als normale Materie erscheinen.

The Bullet Cluster, die ersten kollidierenden Galaxienhaufen, die die Trennung zwischen normaler Materie (rosa, von den Röntgenstrahlen) und dunkler Materie (blau, von der Gravitationslinse) zeigen. Bildnachweis: Röntgen: NASA / CXC / CfA / M. Markevitch et al .; Linsenkarte: 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 sich die intervenierende Masse wie eine Linse auf das Hintergrundlicht auswirkt, dieses verzerrt und vergrößert, konnten wir die Masse rekonstruieren. Siehe da, es erschien (in blau) gut getrennt von der Stelle, 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 vorliegt, 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. Ein schneller Vorlauf bis in die Gegenwart, und wir haben eine große Anzahl dieser kollidierenden Cluster gefunden, die alle die gleiche Trennung zwischen Röntgenstrahlung emittierender normaler Materie und Masse in Form von dunkler Materie aufweisen.

Vier kollidierende Galaxienhaufen, die die Trennung zwischen Röntgenstrahlen (pink) 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) (rechts unten).

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

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!