Astronomen befinden sich noch in einem frühen Stadium, wenn es um Fragen zur Natur und den Eigenschaften der Dunklen Materie geht.
Die Theorie über die Existenz dieser Substanz warvor mehr als 40 Jahren als Erklärung für die Diskrepanz zwischen der Masse aller sichtbaren Objekte in einer Galaxie und der Masse der Galaxie selbst vorgeschlagen. Die Astronomin Vera Rubin, die die Diskrepanz erstmals entdeckte, stellte fest, dass diese unsichtbare Substanz äußerst häufig vorkommt und den größten Teil des Universums ausmacht. Heute kennen wir diese Substanz als Dunkle Materie.
Vera Rubin. Foto: 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— Verschiebung der Spektrallinien chemischer Elementezur roten (langwelligen) Seite. Dieses Phänomen kann ein Ausdruck schwacher diffuser Streuung, des Doppler-Effekts oder der gravitativen Rotverschiebung oder einer Kombination davon sein. Die Verschiebung von Spektrallinien in den Spektren von Himmelskörpern wurde erstmals 1848 vom französischen Physiker Hippolyte Fizeau beschrieben und schlug zur Erklärung der Verschiebung den Doppler-Effekt vor, der durch die Radialgeschwindigkeit des Sterns verursacht wird.
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.
Bei schwachen Gravitationslinsen statistischDurch die Analyse der Verzerrungen des Lichts, das wir empfangen, können wir das Gravitationsfeld zwischen der Erde und entfernten Galaxien „erkennen“. In diesem Bereich gibt es oft mehr Masse – und damit mehr Materie – als Wissenschaftler erklären können.
Ein Beispiel für den Gravitationslinseneffekt, der aus Sicht der bestehenden Theorie das Vorhandensein dunkler Materie beweist, ist ein Foto des Bullet-Galaxienhaufens im Sternbild Carina.
Das Bild zeigt die Folgen der Kollision zweier Galaxien. Das Rot im Bild zeigt Bereiche sichtbarer Materie und das Blau zeigt dunkle Materie, deren Vorhandensein durch Gravitationslinseneffekt bestimmt wird.
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
In den ersten paar hunderttausend Jahren danachBeim Urknall war das Universum heiß genug, um stark ionisiert zu werden. Dies machte es vorübergehend nahezu lichtundurchlässig – die Photonen rotierten wie jedes andere Teilchen. Als die Dinge jedoch ausreichend abkühlten, verbanden sich erhebliche Mengen an Protonen und Elektronen zu neutralem Wasserstoff, der für den Großteil des ihn umgebenden Lichts transparent genug wurde. Dieser Prozess vollzog sich ziemlich schnell (im Hinblick auf die kosmologische Zeit) – als Ergebnis wurde das gesamte im Universum enthaltene Licht, relativ gesehen, plötzlich freigesetzt und machte in diesem Stadium seiner Entwicklung eine Momentaufnahme. Dies ist eine vereinfachte Beschreibung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung.
Um dieses Licht zu erkennen, können WissenschaftlerRichten Sie Radioteleskope in jede Richtung, und je nach Beobachtungsbereich ändert sich die Temperatur geringfügig. Der Temperaturunterschied wird durch die Anwesenheit oder Abwesenheit dunkler Materie in dieser Region erklärt.
Was ist ungewöhnlich in der ersten Galaxie gefunden?
DF2 ist eine Galaxie, die Teil einer großen Gruppe istangeführt von der massereichen elliptischen Galaxie NGC 1052. Die Galaxie erregte die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern, weil sie auf Fotos des Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS) anders aussah. Im ersten Fall erschien die Galaxie als schwacher Lichtfleck, im zweiten Fall handelte es sich um eine Gruppe von Punktobjekten.
Basierend auf diesen Beobachtungen haben Wissenschaftler unter der Leitung vonPeter van Dokkum identifizierte zehn Kugelsternhaufen (große Gruppen alter Sterne) im Inneren der Galaxie und stellte fest, dass sie sich dreimal langsamer bewegen, als wenn es viel Dunkle Materie gäbe. Tatsache ist, dass die Galaxienhaufen schneller rotieren würden, wenn die Masse der Galaxie größer wäre als die Masse der sichtbaren Objekte.
Die wissenschaftliche Gemeinschaft beurteilte die Veröffentlichung kritisch— Der Fehler der Forscher bestand darin, dass sie nur zehn Cluster und nur zwei Nächte lang beobachteten. Skeptiker glaubten, dass Wissenschaftler möglicherweise wichtige Details über die Bewegung von Sternhaufen übersehen haben, was dazu geführt hat, dass ihre Schätzungen der Masse und der sichtbaren Materie der Galaxie verzerrt waren.
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.
Die Forscher veröffentlichten zwei wissenschaftliche Artikel – inSie waren die ersten, die die Masse von DF2 mithilfe der Advanced Camera von Hubble und dem 10-Meter-Teleskop am Keck-Observatorium auf Hawaii neu vermessen konnten. Diesmal beobachteten Astronomen nicht nur die Bewegungsgeschwindigkeit der Sternhaufen, sondern auch die Rotationsgeschwindigkeit der darin befindlichen Sterne. Als Ergebnis haben Wissenschaftler festgestellt, dass DF2 eine transparente ultradiffuse Galaxie ist, deren Größe ungefähr der Größe der Milchstraße entspricht. Nur waren etwa 200-mal weniger Sterne darin.
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.
Zum Beispiel der theoretische Physiker Erik Verlinde ausDie Universität Amsterdam veröffentlichte 2016 eine wissenschaftliche Arbeit, die die Schwerkraft als Nebenprodukt von Quantenwechselwirkungen untersuchte und darauf hinwies, dass die zusätzliche Schwerkraft, die der Dunklen Materie zugeschrieben wird, ein Effekt der Dunklen Energie ist – Hintergrundenergie, die in das Raum-Zeit-Gefüge des Universums eingewebt ist.
Mit anderen Worten: Verlinde glaubt, dass dunkle Materie keine Materie ist, sondern lediglich eine Wechselwirkung zwischen gewöhnlicher Materie und dunkler Energie.
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
Entdeckung durch Astronomen, falls erfolgreichDurch zukünftige Beobachtungen endgültig bestätigt, stellt es die bestehende Theorie über die Galaxienentstehung in Frage. Insbesondere geht es um die Annahme, dass der größere NGC 1052 dunkle Materie von DF2 und DF4 „stehlen“ könnte. Wenn dies wirklich möglich ist und die in beiden beobachteten Galaxien beobachtete Ordnung erhalten bleibt, müssen Astronomen den Mechanismus ihrer Entstehung und Existenz völlig überdenken.
"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.