Ist Dunkle Materie Echt?

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Während viele menschen die existenz dunkler materie für selbstverständlich halten, ist dies immer noch eine theorie, die noch bewiesen werden muss. Neue beweise könnten jedoch die unterstützung für theorien der dunklen materie unterstützen.

Don Lincoln ist leitender Wissenschaftler am Fermilab des US-Energieministeriums, Amerikas größter Forschungseinrichtung für Large Hadron Collider. Er schreibt auch über Wissenschaft für die Öffentlichkeit, einschließlich seines jüngsten "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und andere Dinge, die Sie umhauen werden" (Johns Hopkins University Press, 2014). Sie können ihm auf Facebook folgen. Lincoln hat diesen Artikel zu WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.

Viele wissenschaftlich versierte Leute halten es für selbstverständlich, dass das Universum nicht nur aus Carl Sagans oft zitierten "Milliarden und Milliarden" von Galaxien besteht, sondern auch aus einer riesigen Menge einer unsichtbaren Substanz, die als dunkle Materie bezeichnet wird. Diese seltsame Materie gilt als eine neue Art subatomarer Teilchen, die weder über den Elektromagnetismus noch über die starken und schwachen Kernkräfte in Wechselwirkung treten. Die dunkle Materie soll im Universum auch fünfmal häufiger sein als die gewöhnliche Materie der Atome.

Die Realität ist jedoch, dass die Existenz der dunklen Materie noch nicht bewiesen ist. Dunkle Materie ist immer noch eine Hypothese, wenn auch eine recht gut unterstützte. Jede wissenschaftliche Theorie muss Vorhersagen treffen, und wenn sie richtig ist, sollten die Messungen, die Sie durchführen, mit den Vorhersagen übereinstimmen. Dasselbe gilt für dunkle Materie. Theorien der dunklen Materie geben zum Beispiel Vorhersagen darüber ab, wie schnell sich Galaxien drehen. Bisher stimmten Messungen der detaillierten Verteilung der dunklen Materie im Zentrum von Galaxien mit geringer Masse jedoch nicht mit diesen Vorhersagen überein.

Eine kürzliche Berechnung hat das geändert. Die Berechnung hilft, das Rätsel der Tully-Fisher-Beziehung aufzulösen, das die sichtbare oder gewöhnliche Materie einer Galaxie mit ihrer Rotationsgeschwindigkeit vergleicht. In sehr vereinfachter Form haben Wissenschaftler herausgefunden, dass sich eine Spiralgalaxie umso schneller dreht, je massiver (und daher heller) sie ist.

Wenn jedoch dunkle Materie existiert, sollte die Größe einer Galaxie nicht nur von ihrer sichtbaren Materie bestimmt werden, sondern auch von ihrer dunklen Materie. Bei einem großen Teil der Gleichung - der Menge an dunkler Materie - fehlt die Tully-Fisher-Beziehung nicht. Und doch tut es. Es war schwer vorstellbar, wie man diese Beziehung mit der bestehenden Theorie der dunklen Materie in Einklang bringen könnte. Bis jetzt. [Jenseits von Higgs: 5 schwer fassbare Teilchen, die im Universum lauern können]

Ursprünge der dunklen Materie

Die ersten Anzeichen, dass möglicherweise etwas wie dunkle Materie benötigt wird, reichen bis ins Jahr 1932 zurück. Der niederländische Astronom Jan Oort maß die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne in der Milchstraße und stellte fest, dass sie sich zu schnell bewegten, um durch die beobachtete Masse der Galaxie erklärt zu werden.

Vera Rubin und Kent Ford stellten fest, dass Sterne an den Rändern von Galaxien, wie die Andromeda-Galaxie (hier gezeigt), schneller reisen als erwartet. Dunkle Materie könnte helfen, diese galaktischen Rotationsdiskrepanzen zu erklären.

Vera Rubin und Kent Ford stellten fest, dass Sterne an den Rändern von Galaxien, wie die Andromeda-Galaxie (hier gezeigt), schneller reisen als erwartet. Dunkle Materie könnte helfen, diese galaktischen Rotationsdiskrepanzen zu erklären.

Gutschrift: NASA / Swift / Stefan Immler (GSFC) und Erin Grand (UMCP)
Die Suche nach dunkler Materie begann jedoch fast ein halbes Jahrhundert später, als die Astronomin Vera Rubin und der Instrumentenbauer Kent Ford Ende der 70er Jahre die Rotationsraten benachbarter Galaxien als Funktion der Entfernung der Sterne der Galaxie von der Galaxie maßen Center. Sie verglichen die Messungen mit Vorhersagen aus der Standard-Newtonschen Gravitationstheorie.

Sterne umkreisen ihre Muttergalaxie auf nahezu kreisförmigen Wegen und die Schwerkraft ist die Kraft, die die Sterne in diesen Umlaufbahnen hält. Newtons Gleichungen sagen voraus, dass die Kraft, durch die sich die Sterne auf einer Kreisbahn bewegen, F (kreisförmig), der Kraft der Schwerkraft auf den Stern, F (Schwerkraft), entsprechen muss. Andernfalls würde der Stern in den Weltraum fliegen oder in diesen Raum fallen das Zentrum der Galaxie. Für diejenigen, die sich an die Physik an der High School erinnern, ist F (zirkulär) eine Aussage über Trägheit und ist nur Newtons F = ma. F (Schwerkraft) ist das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation.

In der Nähe des Zentrums von Galaxien fanden Rubin und Ford wie erwartet, dass F (kreisförmig) ungefähr gleich F (Schwerkraft) war. Aber weit entfernt vom Zentrum der Galaxien stimmten die beiden Seiten der Gleichung nicht gut überein. Während Details von Galaxie zu Galaxie variierten, waren ihre Beobachtungen im Wesentlichen universell. [Galerie: Dunkle Materie im ganzen Universum]

Eine solch dramatische Diskrepanz bedarf einer Erklärung. In der Nähe des Zentrums von Galaxien bedeuteten die Messungen von Rubin und Ford, dass die Theorie funktionierte, während die Diskrepanz bei größeren Umlaufentfernungen dazu führte, dass etwas vor sich ging, das die bestehenden Theorien nicht erklären konnten. Ihre Erkenntnisse haben gezeigt, dass wir entweder nicht verstehen, wie die Trägheit funktioniert (z. B. F (zirkular)) oder nicht, wie die Schwerkraft funktioniert (z. B. F (Schwerkraft)). Eine dritte Möglichkeit ist, dass das Gleichheitszeichen falsch ist, was bedeutet, dass es eine andere Kraft oder einen anderen Effekt gibt, den die Gleichung nicht enthält. Das waren die einzigen Möglichkeiten.

Erklären der Diskrepanzen

In den 40 Jahren seit der ursprünglichen Arbeit von Rubin und Ford haben Wissenschaftler viele Theorien getestet, um die gefundenen Unterschiede in der galaktischen Rotation zu erklären. Der Physiker Mordehai Milgrom schlug eine Modifikation der Trägheit vor, genannt "modifizierte Newtonsche Dynamik" oder MOND. In seiner ursprünglichen Form postulierte es, dass die Newtonsche Gleichung F = ma bei sehr niedrigen Beschleunigungen nicht funktionierte.

Andere Physiker haben Änderungen der Gesetze der Schwerkraft vorgeschlagen. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hilft hier nicht, denn in diesem Bereich sind Einsteins und Newtons Vorhersagen im Wesentlichen identisch. Theorien der Quantengravitation, die versuchen, die Schwerkraft mit subatomaren Partikeln zu beschreiben, können aus demselben Grund nicht die Erklärung sein. Es gibt jedoch Gravitationstheorien, die auf galaktischen oder extragalaktischen Skalen Vorhersagen treffen, die sich von der Newtonschen Gravitation unterscheiden. Das sind also Optionen. [Was ist das? Ihre Physikfragen beantwortet]

Dann gibt es Vorhersagen, dass neue Kräfte existieren. Diese Ideen werden unter dem Namen "fünfte Kraft" zusammengefasst, was eine Kraft jenseits der Schwerkraft, Elektromagnetismus und die starken und schwachen Kernkräfte impliziert.

Schließlich gibt es noch die Theorie der dunklen Materie: Dass eine Art von Materie, die überhaupt nicht mit Licht interagiert und dennoch eine Anziehungskraft ausübt, das Universum durchdringt.

Wären die galaktischen Rotationsmessungen die einzigen Daten, die wir haben, könnte es schwierig sein, zwischen diesen verschiedenen Theorien zu wählen. Schließlich könnte es möglich sein, jede Theorie zu optimieren, um das Problem der galaktischen Rotation zu lösen. Mittlerweile gibt es viele Beobachtungen für viele verschiedene Phänomene, die zur Identifizierung der plausibelsten Theorie beitragen können.

Eine davon ist die Geschwindigkeit von Galaxien innerhalb großer Galaxienhaufen. Die Galaxien bewegen sich zu schnell, als dass die Cluster miteinander verbunden bleiben könnten. Eine andere Beobachtung betrifft das Licht von weit entfernten Galaxien. Beobachtungen dieser sehr weit entfernten, alten Galaxien zeigen, dass ihr Licht verzerrt wird, wenn sie durch die Gravitationsfelder von nahegelegenen Galaxienhaufen laufen. Es gibt auch Studien über kleine Ungleichmäßigkeiten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, der der Geburtsschrei des Universums ist. Alle diese Messungen (und viele mehr) müssen auch von jeder neuen Theorie angesprochen werden, um die galaktischen Rotationsgeschwindigkeiten zu erklären.

Die unbeantworteten Fragen der dunklen Materie

Die Theorie der dunklen Materie hat bei der Vorhersage vieler dieser Messungen eine vernünftige Arbeit geleistet, weshalb sie in der wissenschaftlichen Gemeinschaft hoch angesehen ist. Dunkle Materie ist jedoch immer noch ein unbestätigtes Modell. Alle Beweise für seine Existenz sind bisher indirekt. Wenn dunkle Materie existiert, sollten wir die Wechselwirkungen der dunklen Materie direkt beobachten können, wenn sie durch die Erde läuft, und wir könnten dunkle Materie in großen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider erzeugen. Und dennoch war keiner der Ansätze erfolgreich.

Außerdem sollte dunkle Materie mit allen, nicht nur vielen astronomischen Beobachtungen übereinstimmen. Die Dunkle Materie ist das bislang erfolgreichste Modell, jedoch nicht ganz erfolgreich. Modelle der dunklen Materie sagen mehr Zwergsatellitengalaxien um große Galaxien wie die Milchstraße voraus, als tatsächlich entdeckt werden. Zwar gibt es mehr Zwerggalaxien, aber im Vergleich zu den Vorhersagen der Dunklen Materie gibt es immer noch zu wenige.

Eine weitere große, offene Frage ist, wie dunkle Materie die Beziehung zwischen der Helligkeit von Galaxien und ihrer Rotationsgeschwindigkeit beeinflusst. Diese Beziehung, die 1977 erstmals vorgestellt wurde, wird als Tully-Fisher-Beziehung bezeichnet. Sie hat mehrfach gezeigt, dass die sichtbare Masse einer Galaxie gut mit ihrer Rotationsgeschwindigkeit korreliert.

Harte Herausforderungen für dunkle Materie

Damit endet die Hintergrundgeschichte. Was ist neu?

Die Beziehung zwischen Tully und Fisher ist eine schwierige Herausforderung für Modelle der dunklen Materie. Die Rotation einer Galaxie wird von der Gesamtmenge der Materie bestimmt, die sie enthält. Wenn wirklich dunkle Materie existiert, dann ist die Gesamtmenge der Materie die Summe der gewöhnlichen und der dunklen Materie.

Die Theorie der Dunklen Materie sagt jedoch voraus, dass jede zufällige Galaxie größere oder kleinere Anteile an Dunkler Materie enthalten kann. Wenn man also die sichtbare Masse misst, kann es vorkommen, dass ein großer Teil der Gesamtmasse fehlt. Folglich sollte die sichtbare Masse ein sehr schlechter Prädiktor für die Gesamtmasse (und damit die Rotationsgeschwindigkeit) der Galaxie sein. Die Masse der Galaxie könnte der sichtbaren (gewöhnlichen) Masse ähnlich sein oder sie könnte viel größer sein.

Daher gibt es keinen Grund zu erwarten, dass die sichtbare Masse ein guter Prädiktor für die Rotationsgeschwindigkeit der Galaxie sein sollte. Ist es doch.

Tatsächlich verwendeten Skeptiker der Dunklen Materie in einer in diesem Jahr veröffentlichten Zeitung Messungen der Tully-Fisher-Beziehung für eine Vielzahl von Galaxien, um gegen die Dunkle Materie-Hypothese und für eine modifizierte Version der Trägheit wie MOND zu argumentieren.

Besser fit für dunkle Materie

In einer im Juni veröffentlichten Arbeit haben die Dunkelmaterie-Modelle jedoch einen deutlichen Schub gegeben. Die neue Arbeit reproduziert nicht nur die Erfolge früherer Vorhersagen des Modells der dunklen Materie, sondern auch die Tully-Fisher-Beziehung.

Das neue Papier ist ein "semi-analytisches" Modell, dh es ist eine Kombination aus analytischen Gleichungen und Simulation. Es simuliert das Verklumpen dunkler Materie im frühen Universum, das möglicherweise Galaxienbildung verursacht hat, aber auch die Wechselwirkung von gewöhnlicher Materie, einschließlich des Infalls gewöhnlicher Materie in einen anderen Himmelskörper aufgrund seiner Anziehungskraft, Sternentstehung und Erwärmung von fallendem Gas durch Sternenlicht und Supernovas. Durch die sorgfältige Einstellung der Parameter konnten die Forscher die vorhergesagte Tully-Fisher-Beziehung besser erreichen. Der Schlüssel der Berechnung ist, dass die vorhergesagte Rotationsgeschwindigkeit einen realistischen Wert für das Verhältnis von Baryonen zu dunkler Materie in der Galaxie enthält.

Die neue Berechnung ist ein wichtiger zusätzlicher Schritt zur Validierung des Modells der dunklen Materie. Es ist jedoch nicht das letzte Wort. Jede erfolgreiche Theorie sollte mit allen Messungen übereinstimmen. Bei Nichtübereinstimmung bedeutet dies, dass entweder die Theorie oder die Daten falsch oder zumindest unvollständig sind. Es gibt immer noch einige Diskrepanzen zwischen Vorhersage und Messung (z. B. die Anzahl kleiner Satellitengalaxien um große), aber dieses neue Papier gibt uns die Gewissheit, dass zukünftige Arbeiten diese verbleibenden Diskrepanzen auflösen werden.
Dunkle Materie bleibt eine stark voraussagende Theorie für die Struktur des Universums. Sie ist nicht vollständig und muss durch Entdeckung des tatsächlichen Partikels der dunklen Materie validiert werden. Es gibt also noch Arbeit zu tun.Aber diese jüngste Berechnung ist ein wichtiger Schritt hin zu dem Tag, an dem wir ein für alle Mal wissen werden, ob das Universum wirklich von der dunklen Seite beherrscht wird.

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Videoergänzungsan: Dunkle Materie - Rätsel gelöst? | Harald Lesch.




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