Warum Astronomen immer wieder nach Dunkler Materie suchen

Wissenschaftler wissen sehr wenig über die Materie, aus der Galaxien im Universum bestehen. Etwa 20% der Galaxienmaterie ist sichtbar oder baryonisch: subatomare Teilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen. Die restlichen 80 %, die sogenannte „dunkle Materie“, bleiben mysteriös und unsichtbar.

Tatsächlich kann es überhaupt nicht existieren. „Dunkle Materie“ ist nur eine Hypothese. Physiker und Astronomen jagen vielleicht einen Geist, aber das hält uns nicht davon ab, nachzuschauen. Wieso den? Denn wenn dunkle Materie nicht real ist, dann macht das Verhalten von Sternen, Planeten und Galaxien nicht viel Sinn.

Heute sind dunkle Materie – und ihr Cousin, dunkle Energie – die Hauptpfeiler eines kosmologischen Modells namens Lambda Cold Dark Matter oder Lambda-CDM. Dieses Modell betont, dass dunkle Materie baryonische Materie nur über die Schwerkraft beeinflusst. Es interagiert nicht mit elektromagnetischer Kraft, was bedeutet, dass es kein Licht absorbiert, reflektiert oder emittiert.

Spiralgalaxien wie die hier abgebildete M100 könnten Antworten auf die Natur der Dunklen Materie enthalten. NASA/NASA/JPL-Caltech-Spitzer-Weltraumteleskop

In einer aktuellen Studie, veröffentlicht in Astronomie und Astrophysikliefern wir weitere Beweise, die die Existenz von Halos aus Dunkler Materie um frühe Galaxien (als das Universum nur halb so alt war wie heute) unterstützen. Wir hinterfragen auch einige Annahmen dazu. Es ist eine Möglichkeit, unser Verständnis des Universums und seiner Galaxien zu vertiefen.

Ursprünge der Theorie

In den 1970er Jahren enthüllten die Astronomen Vera Rubin und Kent Ford Theorie der Dunklen Materie. Sie schossen nicht einfach im Dunkeln: Es gab lange eine Debatte darüber, warum sich Sterne, Planeten und Galaxien auf bestimmte Weise verhalten. Warum werden beispielsweise nicht ständig Sterne und Gase in den Weltraum geschleudert? Welche Art von Klebstoff hält die Galaxien zusammen und übt a Gravitationswirkung auf alltägliche baryonische Teilchen?

Wissenschaftler haben sich auch gefragt, warum Objekte weit außerhalb des Zentrums einer Galaxie mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit (oder Geschwindigkeiten) umkreisen wie Objekte, die näher am Zentrum liegen. Es geht dagegen Newtonsches Gesetz, was darauf hindeutet, dass Sterne und Gas langsamer werden sollten, wenn sie sich vom Zentrum einer Galaxie entfernen. Die größere Fülle an Sternen und Gas in der Nähe des Kerns sollte die notwendige Gravitationskraft liefern, die die Sterne und das Gas beschleunigt. Je mehr sie an den Rändern der Galaxie verteilt sind, desto geringer ist die Gravitationskraft – und daher sollten die Sterne und das Gas langsamer werden. Aber Beobachtungen deuten darauf hin, dass dies nicht der Fall ist.

Um diese Diskrepanzen zu erklären, argumentierten Rubin und Ford, dass jede Galaxie von einem großen Halo aus dunkler Materie umgeben ist, der die unerklärte Masse liefert. Dunkle Materie, so behaupteten sie, macht etwa 85 % der Materie in einer Galaxie aus. Seine dominierende Präsenz durch die Galaxien rührt daher, dass sich die Sterne und das Wasserstoffgas bewegen, als würden sie von einem unsichtbaren Element regiert.

Ihre Theorie wurde nicht allgemein akzeptiert. Einige Wissenschaftler haben das argumentiert Dunkle Materie existiert nicht.

Aber wir und viele andere stimmen Rubin und Ford zu. Dunkle Materie existiert, weil sie so viel erklärt. als ein Schriftsteller Lege das:

viele [physicists] würde die Idee gerne verwerfen – wenn es nicht so gut klappen würde.

Weit ins Universum schauen

Zum unsere neue Studie Wir haben ungefähr 260 spiralförmige sternförmige Galaxien in etwa sieben Milliarden Lichtjahren Entfernung beobachtet. Dies ist im Grunde ein Blick in die Vergangenheit. Es wird geschätzt, dass diese Galaxien existierten, als das Universum die Hälfte seines gegenwärtigen Alters von etwa 13,8 Milliarden Jahren hatte. Sie erscheinen uns jetzt als bloße Lichtsignale. Spiralgalaxien, zu denen unsere Milchstraße gehört, zeichnen sich durch die charakteristischen Spiralarme von Sternen und Gaswolken aus.

Unser Ziel war es, die Massenverteilung in diesen entfernten Spiralgalaxien mit neueren, näheren Galaxien mit mehr oder weniger denselben Eigenschaften zu beobachten und zu bestimmen und dann zu vergleichen.

Einige neuere Studien deuten darauf hin, dass die ersten sternbildenden Galaxien zu sein scheinen arm an dunkler Materie im Vergleich zu neueren oder lokalen. Dies führte einige Forscher zu argumentieren, dass dunkle Materie in frühen Sternensystemen eine viel geringere Rolle spielt als in heutigen Galaxien. Unsere Ergebnisse widerlegen diese Annahme.

Wir konnten bestätigen, dass die von uns untersuchten früheren Galaxien die charakteristischen Halos aus dunkler Materie aufweisen, die sich vom Zentrum aus ansammeln und bis zu einem bestimmten Radius eine konstante Dichte beibehalten. Dies stimmt weitgehend mit dem Standardszenario der Dunklen Materie überein, das in Galaxien im lokalen Universum beobachtet wird. Eine überraschende Entdeckung war jedoch, dass diese Halos sind viel kompakter als die Galaxien näher an unserer Milchstraße. Dies deutet darauf hin, dass sich die Verteilung der Dunklen Materie in einer Galaxie im Laufe der Zeit langsam ausdehnt. Aber wie wird dieser Prozess angeheizt?

Unsere Schlussfolgerung ist, dass dieses Phänomen eine direkte Wechselwirkung zwischen Partikeln der Dunklen Materie und alltäglichen baryonischen Partikeln veranschaulicht. Dadurch verändert sich die Dichte der Halos – und geht damit über den einfachen Gravitationszusammenhang aus dem Lehrbuch hinaus.

Diese Entdeckungen liefern nicht alle Antworten auf alle oder auch nur einige der Fragen, die zur Dunklen Materie existieren. Aber es kürzt sicherlich die lange Suche nach Teilchen der Dunklen Materie ab.

Es bietet auch eine Richtung bei der Identifizierung von Teilchen der Dunklen Materie, basierend auf dem, wozu sie in der Lage sind. Dies eröffnet wiederum die Diskussion anderer Theorien über dunkle Materie, wie heiße dunkle Materie, selbstwechselwirkende dunkle Materie und ultraleichte dunkle Materie. All dies ist viel interaktiver als kalte dunkle Materie.

Ein tieferer Blick

Für diejenigen von uns, die auch von dunkler Materie fasziniert und verwirrt sind, gibt es vielleicht ein Licht am Ende des Tunnels. Neue Technologien helfen uns, das Universum und seine Dynamik besser zu verstehen.

Um Antworten zu finden, muss man immer tiefer in das Zentrum dieser älteren und „jüngeren“ Galaxien blicken. Das neue James-Webb-Weltraumteleskop, das Ende 2021 gestartet wurde und nun rund 1.500.000 km jenseits der Erdumlaufbahn um die Sonne kreist, könnte dabei helfen.

Ebenso das Neue LUX ZEPLIN Detektor für dunkle Materie, dargestellt als der „weltweit empfindlichste Detektor für dunkle Materie“ und befindet sich etwa 1,5 km unter der Erde in den Vereinigten Staaten.

Professor Paolo Salucci (SISSA, Italien) und Professor Glenn van de Ven (UniVie, Österreich) haben diesen Artikel gemeinsam verfasst.

Von Gauri Sharma, SARAO Postdoctoral Fellow, University of the Western Cape. Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Lies es originaler Artikel.