Niemand weiß, wie groß das Universum ist, aber es gibt sicherlich Milliarden von Galaxien da draußen, von denen viele eine Billion Sterne enthalten. Das ist eine ganze Menge Zeug, ohne auch nur all das Gas, den Staub, die Planeten und verschiedene interessante Trümmer des Weltraums aufzunehmen. Astronomen sagen uns jedoch, dass es da draußen etwa fünfmal mehr Materie gibt, die wir einfach nicht entdecken können.
Dieses fehlende Zeug erhält den irreführenden Namen „dunkle Materie“, da der Schweizer Astronom Fritz Zwicky, der erste, der seine Existenz theoretisierte, es auf Deutsch „dunkle Materie“ nannte. Seltsamerweise ist dunkle Materie nicht ist dunkel. Ein dunkles Objekt absorbiert den größten Teil des auftreffenden Lichts – dunkle Materie scheint jedoch völlig transparent zu sein. Ich sage „erscheint“, da wir jede dunkle Materie gefunden haben:Ihre Existenz wird aus dem Verhalten gewöhnlicher Materie unter ihrem Gravitationseinfluss gefolgert.
Ein Effekt der Dunklen Materie besteht darin, Galaxien und Galaxienhaufen daran zu hindern, auseinanderzufliegen. Drehen Sie etwas schnell genug, damit die Zentrifugalkraft größer ist als die Kräfte, die es zusammenhalten, und es fliegt auseinander. Sie können dies an vielen Hobby-Töpferscheiben beobachten. Auch Galaxien sollten nicht in der Lage sein, bei der Geschwindigkeit, mit der sie rotieren, zusammenzubleiben. Es ist, als gäbe es noch mehr Materie, die wir nicht sehen können, die sie zusammenhält. In ähnlicher Weise wissen wir aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, dass Galaxien den Raum ausreichend krümmen, um als Linsen zu fungieren, indem sie das Licht, das an ihnen vorbeigeht, krümmen – und der Effekt ist größer, als es der sichtbaren Materie entspricht.
Lesen Sie mehr über Dunkle Materie:
- Könnte „dunkle Materie“ einfach tote Sterne und Planeten sein, die in den Tiefen des Weltraums schweben?
- Etwas stimmt nicht mit der Schwerkraft
Obwohl Zwicky bereits in den 1930er Jahren die Existenz von Dunkler Materie vorschlug, wurde die Idee erst vierzig Jahre später ernst genommen, als die amerikanische Astronomin Vera Rubin Daten über die galaktische Rotation veröffentlichte. Wenn sich etwas Festes wie eine CD dreht, bewegen sich die Teile der CD näher am Rand schneller als die nahe der Mitte – das müssen sie, weil sie in der gleichen Zeit weiter gehen müssen.
Aber eine Galaxie ist nur lose durch die Schwerkraft verbunden, und die Erwartung war, dass die Rotationsgeschwindigkeit, wenn sie sich aus dem Zentrum herausbewegt, auf ein Maximum schießen und dann abfallen würde. Rubin zeigte in Zusammenarbeit mit Kent Ford, dass sich in Galaxien, die sie beobachtete, Sterne in der Nähe des Randes mit ähnlichen Geschwindigkeiten bewegten wie die in der Nähe der Mitte. Der offensichtlichste Grund dafür war, dass viel Materie in einem sogenannten Halo sphärisch um die Galaxie herum verteilt war.
Zunächst dachte man, dass es sich bei der Dunklen Materie um sogenannte MACHOs (Massive Compact Halo Objects) handeln würde – gewöhnliche Materie, die nicht hell genug ist, um gesehen zu werden. Aber dafür gibt es keine guten Beweise, und gewöhnliche Materie würde nicht erwarten, Halos zu bilden.
Was auch immer dunkle Materie war, sie wurde wahrscheinlich von der Schwerkraft beeinflusst, aber nicht die elektromagnetische Kraft, d.h. sie wäre unbeeinflusst von Licht oder der üblichen Materie-zu-Materie-Wechselwirkung, die es uns beispielsweise ermöglicht, auf einem Stuhl zu sitzen. Dies passte besser zu einem konkurrierenden Konzept zu MACHOs, Partikeln namens WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Aber was genau könnte dunkle Materie sein?
Ein Kandidat war bereits entdeckt worden – das Neutrino, ein Teilchen, das in großen Mengen bei Kernreaktionen emittiert wird. Neutrinos interagieren kaum jemals mit Materie – Dutzende von Billionen von der Sonne passieren Sie jede Sekunde ohne Wirkung. Neutrinos haben nur eine winzige Masse, aber genug von ihnen könnten die Wirkung dunkler Materie hervorrufen.
Neutrinos wurden jedoch außer Acht gelassen, da sie sich zu schnell bewegen, um leicht von der schwachen Schwerkraft eingefangen zu werden. Beobachtungen der frühen Struktur des Universums anhand der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung bestätigen, dass die dunkle Materie, die anscheinend an der Entstehung von Galaxien beteiligt war, sich nicht mit neutrinoähnlicher Geschwindigkeit fortbewegte.
Lesen Sie mehr über Teilchenphysik:
- Die Teilchendetektoren, die das Universum erforschen
- James Clerk Maxwell:der große Wissenschaftler mit tiefgreifendem Einfluss auf die moderne Physik
Obwohl sie Masse haben, sind Neutrinos nicht ideal als WIMPs, von denen Theoretiker glauben, dass sie deutlich höhere Massen haben würden. Dies deutete auf ein Teilchen außerhalb unseres Standardmodells der Teilchenphysik hin. Ein potenzieller Kandidat entstand aus der Supersymmetrie. Die Teilchen in den Standardmodell-Partikeln lassen sich in zwei Kategorien einteilen – Fermionen, die faktisch Materieteilchen wie Quarks und Elektronen sind, und Bosonen, die Kraftträger sind, wie das Photon. Viele Varianten der Stringtheorie, einer der Vorschläge zur Kombination der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie, legen nahe, dass jedes Teilchen ein „supersymmetrisches“ Teilchen des entgegengesetzten Typs hat.
Die leichteste Klasse supersymmetrischer Teilchen, Neutralinos, wurden als mögliche Kandidaten für dunkle Materie vorgeschlagen. Leider sollten solche Teilchen leicht genug sein, um vom Large Hadron Collider am CERN produziert zu werden, aber es wurde noch nie ein einziges supersymmetrisches Teilchen entdeckt, was das gesamte Konzept der Supersymmetrie in Frage stellt. Es gibt auch keine Beweise für solche Partikel in freier Wildbahn aus Experimenten zum Nachweis dunkler Materie.
Da supersymmetrische Optionen unwahrscheinlich erscheinen, ist ein weiterer Anwärter das Axion. Dieses hypothetische Teilchen klingt aus gutem Grund wie ein Waschmittel – es wurde nach einem Geschirrspülmittel benannt. Es ist ein Teilchen, das erfunden wurde, um eine Kuriosität in der Quantenphysik zu erklären. Das Axion hätte eine extrem geringe Masse (weniger als ein Neutrino), aber wie das Neutrino würde man erwarten, dass es sich zu schnell bewegt, um als Dunkle Materie zu fungieren – und ein solches Teilchen wurde noch nie entdeckt.
Einige Physiker, insbesondere Lisa Randall, schlagen dies vor, indem sie nach a suchen Teilchen der Dunklen Materie Wir sind „Chauvinisten der Dunklen Materie“. Randall weist darauf hin, dass unser Standardmodell 17 Arten von Teilchen umfasst – warum sollte dann die Dunkle Materie aus einer einzigen Art von Teilchen bestehen? Wir könnten uns ein unsichtbares Paralleluniversum aus dunkler Materie vorstellen, in dem „dunkles Licht“ von dunklen Sonnen auf dunkle Planeten scheint, die von dunklen Wesen besetzt sind. In Wirklichkeit ist dies unwahrscheinlich, da dunkle Materie anscheinend nicht anders als gravitativ mit sich selbst interagiert, aber es ist eine lustige Spekulation.
Da wir weiterhin keine direkten Beweise für dunkle Materie finden, gewinnt eine andere Option an Boden – dass sie überhaupt nicht existiert. Es gibt mehrere Theorien, die unter dem Banner der „modifizierten Schwerkraft“ gesammelt werden. Die Idee ist, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zwar sehr effektiv ist, aber modifiziert werden muss, um mit großen Ansammlungen von Materie wie Galaxien umzugehen. Das Ergebnis wäre das beobachtete Verhalten ohne zusätzliche Materie.
Lesen Sie mehr über dunkle Energie:
- Dunkle Energie versteckt sich in unserem Universum – so finden wir sie
- Was ist dunkle Energie?
Modifizierte Gravitation ist attraktiv einfach, aber viele Wissenschaftler lehnen ihre Grundform MOND (Modified Newtonian Gravity) ab, weil es klare Beispiele für galaktische Strukturen gibt, einschließlich des Bullet Cluster, die mit einer modifizierten Gravitationstheorie schwer zu erklären sind.
Gleichermaßen kann Dunkle Materie jedoch nicht erklären, wie sich viele Galaxien drehen. Beide Theorien müssten etwas angepasst werden, um mit jedem Beispiel fertig zu werden, und Varianten der modifizierten Schwerkraft sehen recht vielversprechend aus. Alternativ wurde ein hybrider Ansatz vorgeschlagen, bei dem dunkle Materie eine Superflüssigkeit ist, die ein unterschiedliches Verhalten auf der Skala einzelner Sterne und Galaxien bietet – obwohl dieser Ansatz wesentlich detaillierter sein muss, um robust zu sein.
Es ist auch wichtig, eine letzte Möglichkeit in Betracht zu ziehen – dass dunkle Materie von vornherein nie benötigt wurde. Der Mathematiker Donald Saari schlägt vor, dass die Modelle, die zur Vorhersage des Rotationsverhaltens von Galaxien verwendet werden, falsch sind. Eine Galaxie beinhaltet Gravitationswechselwirkungen zwischen Milliarden von Sternen. Saari schlägt vor, dass die Berechnungen zur Vorhersage der Dunklen Materie zu viele Annäherungen beinhalteten und nicht richtig mit der Realität übereinstimmen, was bedeutet, dass möglicherweise keine zusätzliche Materie erforderlich ist.
Die Suche geht weiter. Detektoren der nächsten Generation werden derzeit gebaut, von denen mehrere Anfang der 2020er Jahre online gehen. Doch trotz enormer Bemühungen hat die Suche bisher nichts Konkretes ergeben. Wie Vera Rubin 2001 bedauernd feststellte, hatte sie bereits 1980 vorausgesagt, dass Teilchen der Dunklen Materie innerhalb von zehn Jahren direkt beobachtet werden würden, aber sie waren immer noch nicht gesehen worden. Auch im Jahr 2000 machte der königliche Astronom Martin Rees eine ähnliche Zehnjahresvorhersage. Auch seine Zeitskala ist längst abgelaufen.
Wir können nicht sicher sein, ob dunkle Materie jemals entdeckt wird. Aber dieses herausfordernde Mysterium ist einer der Gründe, warum die Wissenschaft so faszinierend ist. Es gibt noch viel zu entdecken – und die Ursache des Dunkle-Materie-Effekts steht ganz oben auf der Liste.