Die Fragen rund um die Dunkle Materie sind einige der häufigsten wichtige physikalische Geheimnisse unserer Moderne . Die Existenz dunkler Materie wurde ursprünglich 1922 vom niederländischen Astronomen Jacobus Kapteyn unter Verwendung von Untersuchungen zu Sterngeschwindigkeiten vorgeschlagen. Dann bemerkte Fritz Zwicky 1933 etwas Seltsames im fernen Koma-Galaxienhaufen.
Der schweizerisch-amerikanische Astronom entdeckte, dass die Masse aller Sterne im Koma-Galaxienhaufen nur etwa 1 Prozent der Masse lieferte, die erforderlich war, um zu verhindern, dass die Galaxien der Anziehungskraft des Haufens entkommen. Tatsächlich wurde dunkle Materie ursprünglich als "fehlend" bezeichnetMaterie, "weil Astronomen es nicht finden konnten, indem sie das Universum unter Verwendung eines Teils des elektromagnetischen Spektrums beobachteten. Erst in den 1970er Jahren wurde von den amerikanischen Astronomen Vera Rubin und W. Kent Ford offiziell bestätigt, dass dunkle Materie existiert.
Also, was ist der aktuelle Hype um dunkle Materie? Vielleicht haben Sie ihn in Science-Fiction-Filmen oder TV-Shows gesehen oder sogar in den Nachrichten darüber gelesen, da die wissenschaftliche Gemeinschaft daran arbeitet, ihn besser zu verstehen. Richtiges Verständnis dieser fehlenden Materiekönnte Wissenschaftlern helfen, die genaue Natur des Universums besser zu verstehen und vielleicht sogar, wie unser Universum enden wird.
Dunkle Materie ist nach einigen Theorien weitaus häufiger als wir denken. Die Menge an dunkler Materie könnte uns zeigen, ob sich das Universum ausdehnt oder ob es irgendwann in ferner Zukunft zusammenbricht oder sich überhaupt nicht mehr bewegt. Dunkle Materie könnte Forschern auch helfen, besser zu verstehen, wie die Schwerkraft funktioniert oder wie sich Galaxien bilden. Die Liste geht weiter. Es gibt jedoch noch viele unbeantwortete Fragen zur Dunklen Materie, die angegangen werden müssen, bevor Astronomen vorankommen könnenwir werden erforschen. Lass uns anfangen.
1. Was genau ist dunkle Materie?
Wenn Sie immer noch nicht sicher sind, was dunkle Materie ist, sind Sie nicht allein. Obwohl viele Forscher glauben, dass dunkle Materie 85% der Materie im Universum ausmacht, gibt es noch keine Einigung darüber, was genau dunkle Materie istJe mehr wir uns mit dunkler Materie befassen, desto düsterer scheinen die Dinge zu werden. Es gibt jedoch zwei Haupttheorien für die Natur der dunklen Materie.
Einer ist der Vorschlag, dass dunkle Materie aus gewöhnlichen, aber schwer zu erkennenden toten Sternen oder riesigen kalten Planetenobjekten besteht. Diese Objekte würden sich in Galaxien in einem "Halo" ansammeln und werden daher "Massive Compact Halo Objects" genannt.oder MACHOs.
Die andere populäre Theorie besagt, dass dunkle Materie aus unentdeckten Teilchen besteht, die im Urknall entstanden sind und überall existieren. Diese werden genannt. Schwach wechselwirkende massive Partikel oder WIMPs. Dies ist derzeit die führende Theorie.
Physiker Don Lincoln vom Fermilab des US-Energieministeriums erweitert auf diese Idee in seinem Artikel für Livescience heißt es: "Wir haben dunkle Materie nie direkt beobachtet, aber wir wissen sehr viel darüber, was sie sein muss: Sie muss massiv sein weil sie die Rotation von Galaxien beeinflusst; sie muss elektrisch neutral sein weil wir es nicht sehen können; es muss sich von gewöhnlicher Materie unterscheiden weil wir keine Beweise dafür sehen, dass es auf übliche Weise mit Materie interagiert, und es muss stabil sein weil es seit den Anfängen des Universums existiert hatDiese Eigenschaften sind eindeutig. "
"Wir wissen jedoch nicht genau, was es ist. In der populärsten generischen Theorie wird das Teilchen der Dunklen Materie als WIMP bezeichnet, für schwach wechselwirkende massive Teilchen. WIMPs sind wie schwere Neutronen aber definitiv keine Neutronen, mit einer Masse von 10 bis 100 mal schwerer als ein Proton. Sie wurden während des Urknalls in großen Mengen hergestellt, und ein kleiner Reliktrest bleibt bis heute bestehen. "
Auch wenn diese WIMPs kaum nachweisbar sind, sollten sie überall sein und wir sollten in irgendeiner Weise mit ihnen interagieren können. Dies war die vorherrschende Theorie über einen längeren Zeitraum. Im Laufe der Jahrzehnte haben Forscher Maschinen gebautbis vor kurzem ohne Erfolg die WIMP-Partikel der dunklen Materie zu detektieren.
Ein Detektor für dunkle Materie in Italien hat kürzlich positive Ergebnisse erzielt. Das DAMA-Experiment ist jedoch sehr kontrovers, da andere Detektoren für dunkle Materie auf der ganzen Welt widersprüchliche Ergebnisse liefern. Derzeit liegen uns noch keine eindeutigen Beweise dafür vor theoretische Partikel existieren sogar .
2. Sollte dunkle Materie nicht mit etwas interagieren?
Ja, absolut. Aber das ist viel schwieriger als Sie vielleicht denken. Erstens können Forscher dunkle Materie nur untersuchen, indem sie sehen, wie sie das Universum um sie herum beeinflusst. Bis zu diesem Punkt wurden nur die Gravitationseffekte beobachtetder dunklen Materie, die unsere Vorstellungen zu diesem Thema weiter trübt.
Aus früheren Studien zum Phänomen der Dunklen Materie wissen wir, dass es Himmelsobjekte beeinflusst. Aber was ist, wenn Dunkle Materie kein Teilchen ist? Vielleicht ist es ein Feld? Oder vielleicht verstehen wir nicht vollständig, wie die Schwerkraft funktioniert.
2015 beobachteten die Forscher vier große Klumpen von ihrer Meinung nach dunkler Materie, die vier kollidierende Galaxien umgibt. Ihre Beobachtungen zeigten, dass einer der Klumpen seltsamerweise hinter seiner Galaxie zurückbleibt. Dies schien nicht nur zu bestätigen, dass dunkle Materie Galaxien beeinflusst, sondern auches hat auch gezeigt, dass dunkle Materie mit anderer dunkler Materie interagieren kann. Wir müssen jedoch noch sehen, ob dunkle Materie mit gewöhnlicher Materie interagiert.
3. Gibt es eine Möglichkeit, dunkle Materie richtig zu studieren?
Wie oben erwähnt, haben Forscher jahrelang erfolglos versucht, Partikel dunkler Materie zu erkennen. Wenn die WIMP-Theorie jedoch korrekt ist, wäre es sehr schwierig, sie richtig zu messen. Wenn wir jedoch annehmen, dass sich diese Partikel fortbewegendurch den Raum sollte dann irgendwann dunkle Materie mit einer bekannteren Form gewöhnlicher Materie wie einem Proton oder Elektron interagieren.
Um dies zu messen, haben Forscher Experimente nach Experimenten erstellt, um die Wechselwirkungen gewöhnlicher Partikel tief im Untergrund zu untersuchen, wo sie vor störender Strahlung geschützt sind, die eine Kollision zwischen Partikeln der dunklen Materie imitieren könnte. Doch selbst das jüngste chinesische PandaX-Experiment hat dies bisher getanEine vorherrschende Theorie, um dies zu erklären, ist, dass die Partikel der Dunklen Materie tatsächlich viel kleiner als WIMPs sind und daher sehr schwer zu erkennen sind.
4. Könnte dunkle Materie aus mehr als einem Teilchen bestehen?
Diese Frage ist sehr sinnvoll. Schließlich besteht gewöhnliche Materie nicht nur aus Protonen und Elektronen. Sie enthält auch eine Vielzahl "exotischer" Teilchen wie Neutrinos, Myonen und Pionen. Das wäre auch nicht soweit entfernt zu glauben, dass dunkle Materie eine ähnliche "exotische" Mischung von Partikeln hat. "Dunkle Materie-Partikel würden im Wesentlichen aus schweren" dunklen Protonen "und hellen" dunklen Elektronen "bestehen" sagt Charles Q. Choi.
"Sie würden weit mehr miteinander interagieren als andere Teilchen der dunklen Materie, um 'dunkle Atome' zu bilden, die ' dunkle Photonen um durch eine Art 'dunklen Elektromagnetismus' zu interagieren, so wie reguläre Protonen und Elektronen im konventionellen Elektromagnetismus durch Photonen interagieren, um die Atome aufzubauen, aus denen das Alltagsmaterial besteht. Wenn dunkle Atome möglich sind, könnten sie miteinander reagierendunkle Chemie, ähnlich wie reguläre Atome chemisch interagieren. "
5. Was ist mit dunklen Kräften?
Nein, wir sprechen nicht über die dunkle Seite der Macht. Dennoch könnte es nach allem, was wir wissen, ähnlich funktionieren. Wie oben erwähnt, könnte dunkle Materie aus sogenannten dunklen Teilchen bestehen. Die Art und Weise, wie dunkle Protonen und dunkle ElektronenInteraktion miteinander könnte erklären, warum dunkle Materie zusammenklumpt und sphärische Lichthöfe um Galaxien, Sterne und Planeten bildet.
Dies könnte auch die Möglichkeit der Existenz dunkler Photonen eröffnen. Was sind dunkle Photonen, fragen Sie? Kurz gesagt, es handelt sich um Photonen, die zwischen normalen Teilchen ausgetauscht werden und die elektromagnetische Kraft hervorrufen, außer sie würden nur von dunkler Materie gefühltTeilchen. Theorien wie diese könnten eine Büchse der Pandora von einer ganz anderen Seite zum Universum öffnen.
6. Was ist, wenn dunkle Materie Axiome sind?
Während sich einige Forscher weiterhin auf die WIMP-Theorie konzentrieren und nach schwachen Partikeln suchen, wurde die Aufmerksamkeit auf ein anderes Partikel, Axiome, verlagert. Dies sind ultraleichte Partikel. Milliarden Mal leichter als das Elektron. Sie sind von einigen aus mehreren Gründen als ausgezeichneter Kandidat für dunkle Materie angesehen.
Erstens würde ihre unsichtbare Präsenz erklären, warum das Universum viel schwerer ist als es aussieht. Zweitens würde das Teilchen auch zeigen, warum die beiden fundamentalen Kräfte, die Atomkerne formen, unterschiedlichen Regelwerken folgen. Das Axion Dark Matter Experiment ADMX an der Universitätof Washington ist derzeit führend in der Anklage für Axiom- und Dunkle-Materie-Wissenschaft.
Das Axion ist ein Kandidat für dunkle Materie, da es genau wie dunkle Materie nicht wirklich mit regulärer Materie interagieren kann. Diese Zurückhaltung macht es auch äußerst schwierig, das Axion, falls vorhanden, zu erkennen. Dieses seltsame Teilchen könnte ebenfalls helfenein langjähriges Rätsel in der Physik lösen, das als "das starke CP-Problem" bekannt ist.
7. Wenn dunkle Materie überall existiert, sollte sie nicht in jeder Galaxie existieren?
Eine der führenden Theorien zur Dunklen Materie ist, dass sie eine wichtige Rolle bei der Bildung von Galaxien spielt. Es wird angenommen, dass Dunkle Materie eine Rolle bei der Kontrolle und Organisation der Bildung großer Himmelsstrukturen spielt. Forscher haben nun jedoch eine gefundenGalaxie, die anscheinend überhaupt keine dunkle Materie hat.
Wenn wir uns Dunkle Materie als das Gerüst vorstellen, das das Universum zusammenhält, warum würde einer Galaxie diese entscheidenden Strukturen fehlen? Eine Antwort ist, dass Dunkle Materie möglicherweise keine so große Rolle bei der Bildung von Himmelskörpern spielt, wie bisher angenommen.
8. Was ist mit unserer positiven Detektion von Partikeln der dunklen Materie?
Wie oben erwähnt, ist die Forschung des italienischen DAMA-Projekts, in der über die Entdeckung dunkler Materie berichtet wurde, äußerst umstritten. Um die mysteriösen und schwer fassbaren Partikel dunkler Materie zu finden, haben Forscher auf der ganzen Welt unterirdische Detektoren entwickelt, um die Wechselwirkung von WIMP-Partikeln zu beobachtenmit gewöhnlicher Materie.
Bis heute ist DAMA das einzige Projekt, bei dem es gelungen ist, die Existenz von Partikeln der dunklen Materie nachzuweisen. Andere führende Detektorprojekte an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt haben widersprüchliche Ergebnisse gemeldet. Bis heute ist die Genauigkeit der DAMA-Ergebnisse sehr hochdiskutiert.
9. Können gewöhnliche Teilchen in dunkle Materie zerfallen?
Was ist, wenn gewöhnliche Teilchen tatsächlich zu Teilchen der dunklen Materie werden? Schließlich sehen wir bereits etwas Ähnliches in Elektronen und Neutronen. Ein einzelnes Neutron zerfällt langsam in ein Proton, während ein Elektron in ein Neutron zerfällt. Einige Forscher glauben, dass 1% von diesen Partikeln zerfallen tatsächlich in dunkle Partikel. Bartosz Fornal und Benjamín Grinstein von der University of California in San Diego schlagen eine Lösung für diese Diskrepanz vor, bei der angenommen wird, dass Neutronen 1% der Zeit in Partikel aus dunkler Materie zerfallen. Weil Strahlenexperimente dies nicht tun würdenWenn diese Zerfälle festgestellt werden, ist ihre abgeleitete Neutronenlebensdauer länger als der tatsächliche Wert. .
Glaubst du, wir werden es endlich verstehen? dunkle Materie in der Zukunft?