Kalte Dunkle Materie

Subaru-Teleskop/Nationales astronomisches Observatorium von Japan

Das Universum besteht aus mindestens zwei Arten von Materie. In erster Linie gibt es die Materie, die wir nachweisen können, die Astronomen als „baryonische“ Materie bezeichnen. Es wird als „normale“ Materie angesehen, weil es aus Protonen und Neutronen besteht, die gemessen werden können. Baryonische Materie umfasst Sterne und Galaxien sowie alle darin enthaltenen Objekte.

Es gibt auch 'Zeug' da draußen im Universum, das mit normalen Beobachtungsmitteln nicht entdeckt werden kann. Es existiert jedoch, weil Astronomen seine Gravitationswirkung auf baryonische Materie messen können. Astronomen nennen dieses Material „dunkle Materie“, weil es dunkel ist. Es reflektiert oder emittiert kein Licht. Diese mysteriöse Form von Materie stellt einige große Herausforderungen dar, um viele Dinge über das Universum zu verstehen, die bis zu den Anfängen vor etwa 13,7 Milliarden Jahren zurückreichen.

Die Entdeckung der Dunklen Materie

Vor Jahrzehnten fanden Astronomen heraus, dass es im Universum nicht genug Masse gibt, um Dinge wie die Rotation von Sternen darin zu erklären Galaxien und die Bewegungen von Sternhaufen. Die Masse beeinflusst die Bewegung eines Objekts durch den Weltraum, egal ob es sich um eine Galaxie, einen Stern oder einen Planeten handelt. Nach der Rotationsweise einiger Galaxien zu urteilen, schien es zum Beispiel, dass irgendwo da draußen mehr Masse war. Es wurde nicht erkannt. Es fehlte irgendwie in dem Masseninventar, das sie zusammenstellten, indem sie Sterne und Nebel benutzten, um einer Galaxie eine bestimmte Masse zuzuordnen. Dr. Vera Rubin und ihr Team beobachteten Galaxien, als sie zum ersten Mal einen Unterschied zwischen den erwarteten Rotationsraten (basierend auf den geschätzten Massen dieser Galaxien) und den tatsächlich beobachteten Raten bemerkten.

Die Forscher begannen, tiefer zu graben, um herauszufinden, wo die ganze fehlende Masse hingegangen war. Sie überlegten, dass vielleicht unser Verständnis von Physik, d.h. generelle Relativität Sie war fehlerhaft, aber zu viele andere Dinge passten nicht zusammen. Also entschieden sie, dass die Masse vielleicht noch da war, aber einfach nicht sichtbar.

Während es immer noch möglich ist, dass wir etwas Grundlegendes in unseren Gravitationstheorien übersehen, war die zweite Option für Physiker schmackhafter. Aus dieser Offenbarung wurde die Idee der Dunklen Materie geboren. Es gibt Beobachtungsbeweise dafür in der Nähe von Galaxien, und Theorien und Modelle weisen auf die Beteiligung dunkler Materie in der frühen Entstehungsphase des Universums hin. Astronomen und Kosmologen wissen also, dass es da draußen ist, haben aber noch nicht herausgefunden, was es ist.

Kalte Dunkle Materie (CDM)

Was also könnte dunkle Materie sein? Bisher gibt es nur Theorien und Modelle. Sie können eigentlich in drei allgemeine Gruppen eingeteilt werden: heiße dunkle Materie (HDM), warme dunkle Materie (WDM) und kalte dunkle Materie (CDM).

Von den dreien ist CDM seit langem der führende Kandidat dafür, was diese fehlende Masse im Universum ist. Einige Forscher bevorzugen immer noch eine Kombinationstheorie, bei der Aspekte aller drei Arten von dunkler Materie zusammen existieren, um die gesamte fehlende Masse zu bilden.

CDM ist eine Art dunkle Materie, die sich, falls vorhanden, im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit langsam bewegt. Es wird angenommen, dass es von Anfang an im Universum vorhanden war und sehr wahrscheinlich das Wachstum und die Entwicklung von Galaxien beeinflusst hat. sowie die Entstehung der ersten Sterne. Astronomen und Physiker glauben, dass es sich höchstwahrscheinlich um ein exotisches Teilchen handelt, das noch nicht entdeckt wurde. Es hat sehr wahrscheinlich einige sehr spezifische Eigenschaften:

Es müsste die Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Kraft fehlen. Dies ist ziemlich offensichtlich, da dunkle Materie dunkel ist. Daher interagiert, reflektiert oder strahlt es keine Art von Energie im elektromagnetischen Spektrum.

Allerdings müsste jedes Kandidatenteilchen, aus dem kalte Dunkle Materie besteht, berücksichtigen, dass es mit einem Gravitationsfeld interagieren muss. Als Beweis dafür haben Astronomen festgestellt, dass Ansammlungen dunkler Materie in Galaxienhaufen einen Gravitationseinfluss auf Licht von entfernteren Objekten ausüben, die zufällig vorbeiziehen. Diese sog 'Gravitationslinseneffekt' wurde schon oft beobachtet.

Kandidaten für Objekte aus kalter dunkler Materie

Obwohl keine bekannte Materie alle Kriterien für kalte dunkle Materie erfüllt, wurden mindestens drei Theorien aufgestellt, um CDM zu erklären (falls vorhanden).

Schwach wechselwirkende massive Teilchen :Auch bekannt als WIMPs erfüllen diese Partikel per Definition alle Anforderungen von CDM. Es wurde jedoch noch nie ein solches Teilchen gefunden. WIMPs sind zum Sammelbegriff für alle Kandidaten für kalte dunkle Materie geworden, unabhängig davon, warum das Teilchen vermutlich entsteht. Axionen :Diese Teilchen besitzen (zumindest marginal) die notwendigen Eigenschaften von Dunkler Materie, sind aber aus verschiedenen Gründen wahrscheinlich nicht die Antwort auf die Frage nach kalter Dunkler Materie. MÄNNER :Dies ist ein Akronym für Massive kompakte Halo-Objekte , die Objekte wie sind Schwarze Löcher , alt Neutronensterne , Braune Zwerge uplanetarische Objekte. Diese sind alle nicht leuchtend und massiv. Aber aufgrund ihrer Größe, sowohl was das Volumen als auch die Masse anbelangt, wären sie relativ einfach zu entdecken, indem man lokalisierte Gravitationswechselwirkungen überwacht. Es gibt Probleme mit der MACHO-Hypothese. Die beobachtete Bewegung von Galaxien zum Beispiel ist auf eine Weise gleichmäßig, die schwer zu erklären wäre, wenn MACHOs die fehlende Masse liefern würden. Außerdem würden Sternhaufen eine sehr gleichmäßige Verteilung solcher Objekte innerhalb ihrer Grenzen erfordern. Das scheint sehr unwahrscheinlich. Auch die schiere Anzahl an MACHOs, die ziemlich groß sein müssten, um die fehlende Masse zu erklären.

Im Moment hat das Rätsel der Dunklen Materie noch keine offensichtliche Lösung. Astronomen entwerfen weiterhin Experimente, um nach diesen schwer fassbaren Teilchen zu suchen. Wenn sie herausfinden, was sie sind und wie sie im Universum verteilt sind, werden sie ein weiteres Kapitel in unserem Verständnis des Kosmos aufgeschlagen haben.