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

In Sachen Natur und Eigenschaften der Dunklen Materie stehen die Astronomen noch am Anfang.

zuallererst studieren, weil die Realität seiner Existenz noch nicht bewiesen ist.

Die Theorie der Existenz dieser Substanz warEs wurde vor über 40 Jahren als Erklärung für die Diskrepanz zwischen der Masse aller sichtbaren Objekte in der Galaxie und der Masse der Galaxie selbst ins Leben gerufen. Die Astronomin Vera Rubin, die die Diskrepanz zum ersten Mal entdeckte, stellte fest, dass diese unsichtbare Substanz äußerst häufig ist und aus einem großen Teil des Universums besteht. 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 Elemente inrote (langwellige) Seite. Dieses Phänomen kann Ausdruck einer schwachen diffusen Streuung, des Doppler-Effekts oder der gravitativen Rotverschiebung oder einer Kombination davon sein. Zum ersten Mal beschrieb der französische Physiker Hippolyte Fizeau 1848 die Verschiebung der Spektrallinien in den Spektren von Himmelskörpern und schlug den Doppler-Effekt vor, der durch die Radialgeschwindigkeit eines Sterns verursacht wird, um die Verschiebung zu erklären.

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 statistischDie Analyse der Verzerrungen im empfangenen Licht ermöglicht es uns, das Gravitationsfeld zwischen der Erde und fernen Galaxien zu „bemerken“. Oft gibt es auf diesem Gebiet mehr Masse bzw. mehr Materie, als Wissenschaftler erklären können.

Ein Beispiel für Gravitationslinsen, die aus der Sicht der bestehenden Theorie die Existenz der dunklen Materie erweist sich - Foto Einschussgalaxienhaufen im Sternbild Carina.

Das Bild zeigt die Folgen der Kollision zweier Galaxien. Rot im Bild zeigt Bereiche sichtbarer Materie, blau - dunkle Materie, deren Vorhandensein durch Gravitationslinsen 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 hunderttausend Jahren danachDer Urknall Das Universum war heiß genug, um stark zu ionisieren. Dies machte es vorübergehend fast lichtundurchlässig - die Photonen drehten sich wie jedes andere Teilchen. Als jedoch alles kühl genug war, verschmolzen signifikante Mengen von Protonen und Elektronen zu neutralem Wasserstoff, der für den Großteil des Umgebungslichts transparent genug wurde. Dieser Prozess vollzog sich relativ schnell (aus Sicht der kosmologischen Zeit). Infolgedessen wurde das gesamte im Universum enthaltene Licht plötzlich nach außen abgegeben und machte in diesem Stadium seiner Entwicklung ein Bild. Sie können also einfach die Reliktstrahlung beschreiben.

Um dieses Licht zu reparieren, können Wissenschaftlersenden Sie Radioteleskope in jede Richtung - und je nach Beobachtungsfeld variiert die Temperatur geringfügig. Der Temperaturunterschied ist auf die Anwesenheit oder Abwesenheit von dunkler Materie in diesem Bereich zurückzuführen.

Was ist ungewöhnlich in der ersten Galaxie gefunden?

DF2 - eine Galaxie, die zu einer großen Gruppe gehörtAngeführt von der massiven elliptischen Galaxie NGC 1052. Die Galaxie erregte die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler durch die Tatsache, dass sie in den von Dragonfly und Sloan Digital Sky Survey (SDSS) aufgenommenen Fotos anders aussah. Auf der ersten war die Galaxie ein Fleck schwachen Lichts, auf der zweiten eine Gruppe von Punktobjekten.

Basierend auf diesen Beobachtungen führten Wissenschaftler durchPeter van Dokkum identifizierte zehn Kugelhaufen (große Gruppen alter Sterne) in der Galaxie und stellte fest, dass sie sich dreimal langsamer bewegen als mit einer großen Menge dunkler Materie. Fakt ist, wenn die Masse der Galaxie größer wäre als die Masse der sichtbaren Objekte, würden sich die Haufen schneller drehen.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft bewertete die Publikation kritisch- Als Fehler nannten die Forscher, was sie nur für zehn Cluster und nur für zwei Nächte beobachteten. Skeptiker waren der Ansicht, dass Wissenschaftler wichtige Details der Bewegung von Sternhaufen übersehen haben könnten, was ihre Einschätzung der Masse der Galaxie und ihrer scheinbaren Materie verzerrte.

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 - inZunächst wurde die Masse des DF2 mit der verbesserten Hubble-Kamera und dem Zehn-Meter-Teleskop des Keck-Observatoriums in Hawaii erneut gemessen. Diesmal beobachteten die Astronomen nicht nur die Bewegungsgeschwindigkeit von Clustern, sondern auch die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne in ihnen. Als Ergebnis haben Wissenschaftler herausgefunden, dass DF2 eine transparente ultradiffuse Galaxie ist, deren Größe in etwa der Milchstraße entspricht. Es stellte sich heraus, dass nur Sterne etwa 200-mal kleiner waren.

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 Eric Verlinde ausDie Universität Amsterdam veröffentlichte 2016 einen wissenschaftlichen Artikel, in dem sie die Schwerkraft als Nebenprodukt von Quantenwechselwirkungen ansah und vermutete, dass die zusätzliche Schwerkraft, die der Dunklen Materie zugeschrieben wird, der Effekt der Dunklen Energie ist - der Hintergrundenergie, die in das Raum-Zeit-Gefüge des Universums verwoben ist.

Mit anderen Worten, Verlinde glaubt, dass dunkle Materie keine Materie ist, sondern nur die 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

Die Entdeckung der Astronomen, wenn es gelingtIm Zuge zukünftiger Beobachtungen endgültig zu bestätigen, stellt die bestehende Theorie über die Entstehung von Galaxien in Frage. Insbesondere sprechen wir von der Annahme, dass der größere NGC 1052 die Dunkle Materie von DF2 und DF4 „stehlen“ könnte. Wenn dies unter der Bedingung der Aufrechterhaltung der in beiden beobachteten Galaxien beobachteten Ordnung tatsächlich möglich ist, müssen Astronomen den Mechanismus ihrer Entstehung und Existenz völlig neu 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.