Welche dunkle Materie sich verbirgt und warum Wissenschaftler ihre Existenz immer noch nicht nachweisen konnten

В вопросах, касающихся природы и свойств темной материи, астрономы до сих пор находятся на начальном этапе

изучения, в первую очередь, потому что реальность ее существования до сих пор не доказана.

Теория о существовании этой субстанции была выдвинута более 40 лет назад в качестве объяснения несоответствия между массой всех видимых объектов в галактике с массой самой галактики. Астроном Вера Рубин, которая впервые обнаружила несоответствие, определила, что эта невидимая субстанция крайне распространена, и из нее состоит большая часть Вселенной. Сегодня мы знаем эту субстанцию как темную материю.

Вера Рубин. Фото: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu

Obwohl Astronomen mindestens drei habenBeweise, dass dunkle Materie existiert, keiner der Versuche, direkte Beweise für ihre Existenz zu finden und ihre Eigenschaften zu bestimmen, war erfolglos.

Allerdings ist die Arbeit von Wissenschaftlern der Yale University inUnter der Leitung von Peter van Dokkum, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature im März 2018, haben Wissenschaftler die Entdeckung eines weiteren Beweises für die Existenz dieser Substanz mehr denn je vorangetrieben.

Was wissen Astronomen über dunkle Materie?

Dunkle Materie ist eine Substanz, die es nicht istinteragiert mit anderen Dingen mittels elektromagnetischer (EM) oder starker nuklearer Kräfte. Das Fehlen elektromagnetischer Wechselwirkungen bedeutet, dass es kein Licht aussenden, absorbieren, reflektieren, brechen oder diffus machen kann. Dies macht es natürlich zu einem ziemlich komplizierten Beobachtungsgegenstand. Etwa 85% aller Materie im Universum ist jedoch dunkle Materie.

Bisher haben Wissenschaftler keine praktischen Beweise dafür, dass dunkle Materie tatsächlich existiert, aber es gibt theoretische. Hier sind die drei wichtigsten.

Galaktische Rotationskurven

Wenn sich ein Objekt um ein anderes dreht,Ein Objekt in der Umlaufbahn muss ständig auf den zentralen Punkt beschleunigt werden (genauer gesagt, beide beschleunigen auf ihren gemeinsamen Schwerpunkt). Ohne diese Beschleunigung fliegt der Orbitalkörper einfach davon.

Je schneller sich der Orbitalkörper bewegt, desto schnelleres ist mehr Beschleunigung erforderlich, um es in der Umlaufbahn zu halten. Da in diesem Fall die Beschleunigung durch die Schwerkraft verursacht wird, bedeutet dies, dass die Zentralmasse größer sein muss.

Dieses Wissen ermöglicht es Wissenschaftlern, unterschiedliche Werte zu "wiegen"Teile der Galaxie messen sowie Rotationsgeschwindigkeiten, indem sie Rotverschiebungen auf der sich nähernden und der sich zurückziehenden Seite der Galaxie vergleichen. Bei der Gewichtung sehen die Astronomen eine Diskrepanz zwischen der Masse aller Objekte in der Galaxie und ihrer Gesamtmasse.

Rotverschiebung — сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может быть выражением слабого диффузного рассеяния, эффекта Доплера или гравитационного красного смещения, или их комбинацией. Впервые сдвиг спектральных линий в спектрах небесных тел описал французский физик Ипполит Физо в 1848 году и предложил для объяснения сдвига эффект Доплера, вызванный лучевой скоростью звезды.

Gravitationslinsen

Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist jedeDie Zeit, die es durch das Gravitationsfeld läuft, ist leicht verzerrt. Es wirkt wie eine Gravitationslinse und kann beispielsweise wie im folgenden Bild Einsteinringe erzeugen.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie besagtdass die Schwerkraft von so großen Weltraumobjekten wie Galaxien den Raum um sie herum biegt und die Lichtstrahlen ablenkt. In diesem Fall entsteht ein verzerrtes Bild einer anderen Galaxie - der Lichtquelle.

Der "Einstein Ring" im Bild oben istverzerrtes Bild einer Galaxie (sie ist blau hervorgehoben), die sich in der Mitte hinter der anderen (roten) Galaxie befindet. Licht von Blau breitet sich in alle Richtungen aus, wird aber von der Schwerkraft einer roten Galaxie gebeugt. Dies bedeutet, dass Licht, das zum Beispiel ursprünglich direkt auf die Erde gerichtet war, niemals unseren Planeten erreichen wird - im Gegensatz zu Licht, das eine andere Richtung hatte, aber durch eine Linse verzerrt wurde und wie aus allen Richtungen gleichzeitig voranschreitet. Dieser Vorgang erklärt das Erscheinungsbild des Rings.

В слабых гравитационных линзах статистический анализ искажений в свете, который мы получаем, позволяет «заметить» гравитационное поле между Землей и далекими галактиками. Часто в этом поле оказывается больше массы — соответственно, и больше материи, — чем ученые могут объяснить.

Пример гравитационного линзирования, которое с точки зрения существующей теории доказывает наличие темной материи, — фотография скопления галактик Пуля, расположенного в созвездии Киля.

На снимке изображены последствия столкновения двух галактик. Красным на изображении показаны области видимой материи, синим — темная материя, наличие которой определено гравитационным линзированием.

Diese Unterscheidung ist darauf zurückzuführen, dassDer größte Teil der Lichtmasse in einem Galaxienhaufen befindet sich in einem Intracluster-Medium - in einem heißen, dichten Plasma. Wenn Teile des Plasmas miteinander kollidieren, verlangsamt sich eine erhebliche Menge der Substanz und verbleibt in der Mitte. Dunkle Materie interagiert jedoch nur schwach mit Materie, sodass ihre Komponenten aus den beiden Clustern frei durcheinander treten können - dies führt zu der auf dem Foto gezeigten Trennung.

Reliktstrahlung

В течение первых нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была достаточно горячей, чтобы сильно ионизироваться. Это на время делало ее почти непрозрачной для света — фотоны вращались, как и любая другая частица. Однако, когда все достаточно охладилось, значительные количества протонов и электронов объединились в нейтральный водород, который стал достаточно прозрачен для большей части окружающего его света. Это процесс произошел довольно быстро (с точки зрения космологического времени) — в результате весь свет, содержащийся во Вселенной, условно говоря, внезапно был выпущен наружу, сделав снимок на том этапе ее эволюции. Так упрощенно можно описать реликтовое излучение.

Чтобы зафиксировать этот свет, ученые могут направить радиотелескопы в любом направлении — и в зависимости от области наблюдений температура будет незначительно меняться. Разница в температуре объясняется наличием или отсутствием темной материи в этой области.

Was ist ungewöhnlich in der ersten Galaxie gefunden?

DF2 — галактика, которая входит в большую группу во главе с массивной эллиптической галактикой NGC 1052. Галактика привлекла внимание ученых тем, что она выглядела по-разному на фотографиях, сделанных аппаратами Dragonfly и Sloan Digital Sky Survey (SDSS). На первом галактика представляла собой пятно слабого света, тогда как на втором — группу точечных объектов.

На основе этих наблюдений ученые во главе с Питером ван Доккумом определили десять шаровых скоплений (большие группы старых звезд) внутри галактики и обнаружили, что они движутся в три раза медленнее, чем при наличии большого количества темной материи. Дело в том, что если бы масса была галактики была больше массы видимых объектов, скопления вращались быстрее.

Научное сообщество оценило публикацию критически — в качестве ошибки исследователей называлось то, что они наблюдали лишь за десятью скоплениями и только в течение двух ночей. Скептики посчитали, что ученые могли упустить из виду ключевые детали движения звездных скоплений, и это в результате исказило их оценку массы галактики и ее видимой материи.

Und in der zweiten?

Der einzige Weg, um die Richtigkeit ihrer zu beweisenBeobachtung war die Suche nach einer zweiten Galaxie, die die geringste Menge dunkler Materie enthalten würde - und im März 2019 wurde eine solche Galaxie entdeckt.

Исследователи опубликовали две научные статьи — в первой они повторно измерили массу DF2 с помощью усовершенствованной камеры «Хаббла» и десятиметрового телескопа обсерватории Кека на Гавайях. На этот раз астрономы наблюдали не только за скоростью движения скоплений, но и за скоростью вращения звезд внутри них. В результате ученые установили, что DF2 является прозрачной ультрадиффузной галактикой, размер которой примерно соответствует Млечному пути. Только звезд в ней оказалось примерно в 200 раз меньше.

Der zweite Artikel widmete sich der Entdeckung solcherDF2-Galaxien - DF4, das sich im selben Cluster neben der Galaxie NGC 1052 befindet. Die Forscher glauben, dass zum einen Galaxien mit einer minimalen Menge dunkler Materie keine Seltenheit sind und zum anderen eine große Galaxie die Dunkelheit „stehlen“ könnte Materie von ihren kleineren Nachbarn.

Wie kann die Abwesenheit dunkler Materie ein Beweis für ihre Existenz sein?

Um die Aussage zu verstehen, dass das Fehlen einer DunkelheitMaterie in zwei Galaxien bestätigt ihre Anwesenheit im Universum in Übereinstimmung mit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Es lohnt sich, die Kritik an der Idee der Anwesenheit dunkler Materie zu berücksichtigen.

Einige Wissenschaftler stimmen dem im Universum nicht zuEs gibt dunkle Materie, und theoretische Beweise für ihr Vorhandensein werden der sogenannten modifizierten Newtonschen Dynamik (MOND) zugeschrieben. Diese alternative Theorie besagt, dass die Schwerkraft im kosmischen Maßstab nicht so funktioniert, wie Isaac Newton oder Albert Einstein es vorausgesagt hatten. Dies bedeutet, dass die Allgemeine Relativitätstheorie, auf der Theorien über die Existenz dunkler Materie aufbauen, bei Galaxien nicht funktioniert.

Например, физик-теоретик Эрик Верлинде из Амстердамского университета в 2016 году опубликовал научную статью, в которой рассмотрел гравитацию как побочный продукт квантовых взаимодействий и предположил, что дополнительная гравитация, приписываемая темной материи, является эффектом темной энергии — фоновой энергии, вплетенной в ткань пространства-времени Вселенной.

Другими словами, Верлинде считает, что темная материя — не материя, а лишь взаимодействие между обычной материей и темной энергией.

Entdeckung von Wissenschaftlern der Yale Universityzeigt, dass dunkle Materie von gewöhnlicher Materie getrennt werden kann, vorausgesetzt, beide detektierten Galaxien verhalten sich gemäß der Standardtheorie der Schwerkraft. Das heißt, die in ihnen auftretenden Prozesse können mit den von Newton und Kepler entdeckten Gleichungen erklärt werden.

Was sind die Fragen

Открытие астрономов, если его удастся окончательно подтвердить в ходе будущих наблюдений, бросает вызов существующей теории о формировании галактик. В частности, речь идет о предположении, что более крупная NGC 1052 могла «украсть» темную материю у DF2 и DF4. Если это действительно возможно при условии сохранения упорядоченности, которая наблюдается в обеих наблюдаемых галактиках, то астрономам придется полностью пересмотреть механизм формирования и существования их.

"Wir hoffen herauszufinden, wie häufigdiese Galaxien und ob sie in anderen Bereichen des Universums existieren. Wir möchten mehr Beweise finden, die uns helfen zu verstehen, wie ihre Eigenschaften mit unseren aktuellen Theorien übereinstimmen oder nicht übereinstimmen. Wir hoffen, dass wir auf diese Weise einen weiteren Schritt unternehmen können, um eines der größten Rätsel in unserem Universum zu verstehen - die Natur der Dunklen Materie “, sagte Dokkum in einem Gespräch mit der Astronomie.