Seit dem „Goldenen Zeitalter der Allgemeinen Relativitätstheorie“ in den 1960er Jahren haben Wissenschaftler festgestellt, dass ein Großteil des Universums aus einer mysteriösen unsichtbaren Masse besteht, die als „Dunkle Materie“ bekannt ist. Seitdem haben Wissenschaftler versucht, dieses Rätsel mit einem doppelten Ansatz zu lösen. Einerseits haben Astrophysiker versucht, ein Kandidatenteilchen zu finden, das diese Masse erklären könnte.
Andererseits haben Astrophysiker versucht, eine theoretische Grundlage zu finden, die das Verhalten der Dunklen Materie erklären könnte. Bisher konzentrierte sich die Debatte auf die Frage, ob es „heiß“ oder „kalt“ ist, wobei Kälte aufgrund ihrer relativen Einfachheit einen Vorteil genießt. Eine neue Studie des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Dies basierte auf kosmologischen Simulationen der Galaxienbildung unter Verwendung eines Modells eines Universums, das interaktive Dunkle Materie enthielt. Die Simulationen wurden von einem internationalen Forscherteam der CfA, des Kavli-Instituts für Astrophysik und Weltraumforschung des MIT, des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam und mehrerer Universitäten durchgeführt. Die Studie erschien vor kurzem in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Wenn es darauf ankommt, wird Dunkle Materie angemessen benannt. Für den Anfang macht es ungefähr 84% der Masse des Universums aus, emittiert, absorbiert oder reflektiert jedoch weder Licht noch irgendeine andere bekannte Form von Strahlung. Zweitens hat es keine elektromagnetische Ladung und interagiert nur durch die Schwerkraft, die schwächste der vier Grundkräfte, mit anderer Materie.
Drittens besteht es nicht aus Atomen oder ihren üblichen Bausteinen (d. H. Elektronen, Protonen und Neutronen), was zu seiner mysteriösen Natur beiträgt. Infolgedessen theoretisieren Wissenschaftler, dass es sich um eine neue Art von Materie handeln muss, die mit den Gesetzen des Universums übereinstimmt, aber in der konventionellen Teilchenphysikforschung nicht auftaucht.
Unabhängig von ihrer wahren Natur hat die Dunkle Materie seit etwa 1 Milliarde Jahren nach dem Urknall einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung des Kosmos. Tatsächlich wird angenommen, dass es eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Galaxien bis zur Verteilung der Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) gespielt hat.
Darüber hinaus werden kosmologische Modelle, die die Rolle der Dunklen Materie berücksichtigen, durch Beobachtungen dieser beiden sehr unterschiedlichen Arten kosmischer Strukturen gestützt. Sie stimmen auch mit kosmischen Parametern überein, wie der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, die selbst von einer mysteriösen, unsichtbaren Kraft (bekannt als „Dunkle Energie“) beeinflusst wird.
Gegenwärtig gehen die am weitesten verbreiteten Modelle der Dunklen Materie davon aus, dass sie nicht mit anderen Arten von Materie oder Strahlung (einschließlich sich selbst) über den Einfluss der Schwerkraft hinaus interagiert - d. H. Dass sie „kalt“ ist. Dies ist das sogenannte CDM-Szenario (Cold Dark Matter), das häufig mit der Theorie der Dunklen Energie (dargestellt durch Lambda) in Form des kosmologischen LCDM-Modells kombiniert wird.
Diese theoretische Form der Dunklen Materie wird auch als bezeichnet
„[CDM] ist das am besten getestete und bevorzugte Modell. Dies liegt vor allem daran, dass die Menschen in den letzten vier Jahrzehnten hart daran gearbeitet haben, Vorhersagen zu treffen, wobei kalte Dunkle Materie als Standardparadigma verwendet wurde - diese werden dann mit realen Daten verglichen - mit der Feststellung, dass dieses Modell im Allgemeinen dazu in der Lage ist reproduzieren eine Vielzahl von beobachteten Phänomenen in einer Vielzahl von Maßstäben. “
Wie er es beschreibt, wurde das Szenario der kalten Dunklen Materie zum Spitzenreiter, nachdem numerische Simulationen der kosmischen Evolution mit „heißer Dunkler Materie“ durchgeführt wurden - in diesem Fall dem Neutrino. Dies sind subatomare Teilchen, die einem sehr ähnlich sind
Diese Simulationen haben gezeigt, dass die vorhergesagten Verteilungen nicht so aussehen wie das heutige Universum “, fügte Bose hinzu. „Aus diesem Grund wurde die entgegengesetzte Grenze in Betracht gezogen, Partikel, die bei ihrer Geburt kaum Geschwindigkeit haben (auch bekannt als„ kalt “). Simulationen, die diesen Kandidaten enthielten, passten viel besser zu modernen Beobachtungen des Universums.
„Nachdem die Astronomen dieselben Galaxienhaufen-Tests wie zuvor durchgeführt hatten, fanden sie eine erstaunliche Übereinstimmung zwischen dem simulierten und dem beobachteten Universum. In den folgenden Jahrzehnten wurde das kalte Teilchen durch strengere, nicht triviale Tests als nur durch Galaxienhaufen getestet und im Allgemeinen mit Bravour bestanden. “
Eine weitere Quelle der Anziehungskraft ist die Tatsache, dass kalte Dunkle Materie (zumindest theoretisch) entweder direkt oder indirekt nachweisbar sein sollte. Hier gerät das CDM jedoch in Schwierigkeiten, da alle Versuche, ein einzelnes Partikel zu erkennen, bisher fehlgeschlagen sind. Aus diesem Grund haben Kosmologen andere mögliche Kandidaten in Betracht gezogen, die noch weniger mit anderen Materien interagieren würden.
Dies wollte Sownak Bose, ein Astronom der CfA, mit seinem Forscherteam herausfinden. Für ihre Studie konzentrierten sie sich auf einen „warmen“ Kandidaten für Dunkle Materie. Diese Art von Partikeln hätte die Fähigkeit, subtil mit sehr leichten Partikeln zu interagieren, die sich nahe an der Lichtgeschwindigkeit bewegen, wenn auch weniger als die interaktivere „heiße“ Variante.
Insbesondere könnte es in der Lage sein, mit Neutrinos zu interagieren, dem ehemaligen Spitzenreiter für das HDM-Szenario. Es wird angenommen, dass Neutrinos während des heißen frühen Universums sehr verbreitet waren, daher hätte das Vorhandensein interagierender Dunkler Materie einen starken Einfluss gehabt.
"In dieser Klasse von Modellen darf das Teilchen der Dunklen Materie eine endliche (aber schwache) Wechselwirkung mit einer Strahlungsspezies wie Photonen oder Neutrinos haben", sagte Dr. Bose. "Diese Kopplung hinterlässt in frühen Zeiten einen ziemlich einzigartigen Eindruck in der" Klumpigkeit "des Universums, der sich stark von dem unterscheidet, was zu erwarten wäre, wenn die Dunkle Materie ein kaltes Teilchen wäre."
Um dies zu testen, führte das Team in den Supercomputer-Einrichtungen in Harvard und an der Universität von Island modernste kosmologische Simulationen durch. Diese Simulationen betrachteten, wie die Galaxienbildung durch das Vorhandensein von warmer und dunkler Materie von etwa 1 Milliarde nach dem Urknall bis zu 14 Milliarden Jahren (ungefähr in der Gegenwart) beeinflusst würde. Sagte Dr. Bose angegeben:
„[W] wir haben Computersimulationen durchgeführt, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie dieses Universum nach 14 Milliarden Jahren Evolution aussehen könnte. Neben der Modellierung der Komponente Dunkle Materie haben wir auch die neuesten Vorschriften für die Sternentstehung, die Auswirkungen von Supernovae und Schwarzen Löchern sowie die Bildung von Metallen aufgenommen usw.”
Das Team verglich dann die Ergebnisse miteinander, um charakteristische Signaturen zu identifizieren, die sich voneinander unterscheiden würden. Sie fanden heraus, dass für viele Simulationen die Auswirkungen dieser interaktiven Dunklen Materie zu gering waren, um wahrgenommen zu werden. Sie waren jedoch auf unterschiedliche Weise vorhanden, insbesondere in der Art und Weise, wie entfernte Galaxien im Weltraum verteilt sind.
Diese Beobachtung ist besonders interessant, da sie in Zukunft mit Instrumenten der nächsten Generation getestet werden kann. "Der Weg, dies zu tun, besteht darin, die Klumpen des Universums zu diesen frühen Zeiten abzubilden, indem man die Verteilung von Wasserstoffgas betrachtet", erklärte Dr. Bose. "Beobachtungsgemäß ist dies eine etablierte Technik: Wir können neutralen Wasserstoff im frühen Universum untersuchen, indem wir die Spektren entfernter Galaxien (normalerweise Quasare) betrachten."
Kurz gesagt, Licht, das von fernen Galaxien zu uns gelangt, muss das intergalaktische Medium passieren. Wenn das dazwischenliegende Medium viel neutralen Wasserstoff enthält, werden die Emissionslinien aus der Galaxie teilweise absorbiert, während sie ungehindert sind, wenn wenig vorhanden ist. Wenn Dunkle Materie wirklich kalt ist, zeigt sie sich in Form einer viel „klumpigeren“ Verteilung von Wasserstoffgas, während ein WDM-Szenario zu oszillierenden Klumpen führt.
Derzeit haben astronomische Instrumente nicht die notwendige Auflösung, um Wasserstoffgasschwingungen im frühen Universum zu messen. Aber wie Dr. Bose angedeutet hat, könnte diese Forschung Impulse für neue Experimente und neue Einrichtungen geben, die in der Lage wären, diese Beobachtungen zu machen.
Zum Beispiel IR-Instrument wie das James Webb Weltraumteleskop (JWST) könnte verwendet werden, um neue Karten der Verteilung der Wasserstoffgasabsorption zu erstellen. Diese Karten könnten entweder den Einfluss interaktiver Dunkler Materie bestätigen oder ihn als Kandidaten ausschließen. Es ist auch zu hoffen, dass diese Forschung die Menschen dazu inspirieren wird, über Kandidaten nachzudenken, die über die bereits in Betracht gezogenen hinausgehen.
Am Ende, sagte Dr. Bose, kommt der wahre Wert von der Tatsache, dass diese Art von theoretischen Vorhersagen Beobachtungen an neue Grenzen treiben und die Grenzen dessen testen können, was wir zu wissen glauben. "Und das ist alles, was Wissenschaft wirklich ist", fügte er hinzu, "eine Vorhersage zu machen, eine Methode zum Testen vorzuschlagen, das Experiment durchzuführen und dann die Theorie einzuschränken / auszuschließen!"
