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10 Möglichkeiten, wie dunkle Materie das Universum erklären könnte
Partikel der dunklen Materie erzeugen, reflektieren oder absorbieren kein Licht. Obwohl wir dunkle Materie nicht direkt sehen können und ihre Natur immer noch nicht verstehen, glauben Wissenschaftler, dass sie etwa 26 Prozent unseres bekannten Universums ausmacht, je nachdem, wie ihre Anziehungskraft mit anderen Weltraumobjekten interagiert. Wie der Wind, der die Äste eines Baumes bläst, können wir keine dunkle Materie sehen, aber wir können sehen, wie sie die Umgebung beeinflusst. Aus diesen Beobachtungen und Analysen entwickeln unsere Wissenschaftler faszinierende Theorien über die Dunkle Materie. Wenn dies der Fall ist, können sie unser Verständnis des Universums auf tiefgreifende Weise verändern.
10 Dunkle Materie kann Massensterben verursachen
Michael Rampino, Professor für Biologie an der New York University, glaubt, dass die Bewegung der Erde durch die galaktische Scheibe (unsere Region in der Milchstraße) ein Massensterben auf der Erde verursacht haben könnte. Dies geschah, weil unsere Bewegung die Umlaufbahn von Kometen im äußeren Sonnensystem (als „Oort-Wolke“ bezeichnet) störte und die Wärme im Kern unseres Planeten erhöhte.
Mit ihren Planeten schleppt die Sonne alle 250 Millionen Jahre das Zentrum der Milchstraße. Während seiner Reise durchquert sie etwa alle 30 Millionen Jahre die galaktische Scheibe. Rampino argumentiert, dass der Weg der Erde durch die Scheibe mit den Auswirkungen von Kometen und Massenaussterben auf der Erde zusammenfällt, einschließlich derjenigen vor 65 Millionen Jahren, als ein Asteroid die Dinosaurier getötet haben soll. Es gibt auch eine Theorie, dass Vulkanausbrüche die Dinosaurierherde dünner machten, kurz bevor ein Asteroid sie ausrottete.
Die Kombination aus ungewöhnlicher Vulkanaktivität und einem Asteroidenangriff, der mit der Erdumlaufbahn durch die galaktische Scheibe zusammenfällt, würde Rampinos Theorie perfekt spielen. "Auf ihrem Weg durch die Scheibe stört die dort konzentrierte dunkle Materie die Bahnen von Kometen, die normalerweise weit außerhalb der Erde im äußeren Sonnensystem kreisen", sagte Rampino. "Das bedeutet, dass Kometen, die normalerweise in großer Entfernung von der Erde fliegen würden, stattdessen ungewöhnliche Wege gehen, was dazu führt, dass einige von ihnen mit dem Planeten kollidieren." Einige argumentieren, dass Rampinos Theorie nicht funktioniert, weil die Dinosaurier durch einen Asteroiden und nicht durch einen Asteroiden starben Komet. Etwa 4 Prozent der Oort Cloud bestehen jedoch aus Asteroiden, was acht Milliarden davon entspricht, die hier draußen schwimmen.
Darüber hinaus glaubt Rampino, dass jede der Umlaufbahnen der Erde durch die galaktische Scheibe dunkle Materie im Kern des Planeten ansammelt. Wenn sich die dunklen Materiepartikel gegenseitig auslöschen, erzeugen sie eine intensive Wärme, die zu Vulkanausbrüchen, Änderungen des Meeresspiegels, Gebirgsbildung und anderen geologischen Aktivitäten führen kann, die auch das biologische Leben auf der Erde dramatisch beeinflussen.
9Die Milchstraße kann ein riesiges Wurmloch sein
Ist es möglich, dass wir in einem riesigen Tunnel leben, der eine Abkürzung durch das Universum darstellt?
Wie in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt, ist ein Wurmloch eine Region, in der Raum und Zeit sich verbiegen, um eine Abkürzung zu einem entfernten Teil des Universums zu bilden. Laut Astrophysikern der International School for Advanced Studies in Triest, Italien, könnte dunkle Materie in unserer Galaxie so verteilt sein, dass ein stabiles Wurmloch mitten in unserer Milchstraße vorhanden ist. Diese Wissenschaftler glauben, dass es an der Zeit sein könnte, die Natur der dunklen Materie zu überdenken. Vielleicht ist dunkle Materie einfach eine andere Dimension.
"Wenn wir die Karte der dunklen Materie in der Milchstraße mit dem neuesten Urknallmodell kombinieren, um das Universum zu erklären", sagte Professor Paulo Salucci, "und wir stellen die Existenz von Raum-Zeit-Tunneln als das vor, was wir bekommen Die Galaxie könnte wirklich einen dieser Tunnel enthalten, und der Tunnel könnte sogar die Größe der Galaxie selbst haben. Aber es gibt noch mehr. Wir könnten sogar durch diesen Tunnel fahren, da er nach unseren Berechnungen schiffbar sein könnte. Genau wie der, den wir alle im letzten Film gesehen haben Interstellar.”
Natürlich ist es nur eine Theorie. Wissenschaftler glauben jedoch, dass dunkle Materie der Schlüssel sein könnte, um Wurmlöcher zu schaffen und zu bestimmen, wie man sie beobachtet. Bisher wurden keine natürlichen Wurmlöcher entdeckt.
8Die Entdeckung des Galaxy X
Galaxy X ist auch als Dunkle-Mater-Galaxie bekannt, eine meist unsichtbare Zwerggalaxie, die im kalten Wasserstoffgas an den äußeren Grenzen der Scheibe der Milchstraße merkwürdige Wellen erzeugen kann. Galaxy X ist eine Satellitengalaxie der Milchstraße und beherbergt eine Gruppe von vier Cepheid-Variablen, pulsierenden Sternen, die als Marker verwendet werden, um Entfernungen im Weltraum zu messen. Wir können den Rest dieser Zwerggalaxie nicht sehen, weil sie angeblich aus unsichtbarer dunkler Materie besteht. Die immense Anziehungskraft dieser dunklen Materie-Galaxie hat jedoch wahrscheinlich die Wellen verursacht, die wir gesehen haben. Ohne eine Gravitationsquelle wie dunkle Materie, die sie zusammenhält, ist es höchst unwahrscheinlich, dass vier variable Sterne von Cepheid in der Mitte des Weltraums so nah beieinander positioniert wären, anstatt auseinander zu fliegen.
"Die Entdeckung der Cepheid-Variablen zeigt, dass unsere Methode zur Ermittlung der Position von Zwerggalaxien mit dunkler Materie funktioniert", sagte der Astronom Sukanya Chakrabarti. „Es kann uns letztendlich helfen zu verstehen, woraus dunkle Materie besteht. Es zeigt auch, dass die Newtonsche Theorie der Schwerkraft bis in die äußersten Winkel einer Galaxie angewendet werden kann und dass es nicht nötig ist, unsere Theorie der Schwerkraft zu modifizieren. “
7Disintegration des Higgs-Bosons in dunkle Materie
Das in den 70er Jahren entwickelte Standardmodell der Teilchenphysik besteht aus einer Reihe von Theorien, die angeblich alle bekannten subatomaren Teilchen im Universum und deren Interaktion vorhersagen.Mit der Bestätigung der Existenz des Higgs-Bosons (auch als "Gottes-Teilchen" bezeichnet) im Jahr 2012 war das Standardmodell abgeschlossen. Leider erklärt dieses Modell nicht alles, besonders die dunkle Materie, die Gravitationskraft, die Galaxien zusammenhält. Die Masse des Higgs-Partikels erscheint einigen Wissenschaftlern auch viel zu niedrig.
Das hat die Forscher der Chalmers University of Technology dazu veranlasst, ein neues Modell auf der Grundlage der Supersymmetrie vorzuschlagen, das jedem bekannten Partikel im Standardmodell einen schwereren Superpartner gibt. Nach dieser neuen Theorie zerfällt ein kleiner Teil der Higgs-Teilchen in ein Photon (ein Lichtteilchen) und zwei Gravitinos (Teilchen der dunklen Materie). "Wenn sich herausstellt, dass das Modell passt, würde dies unser Verständnis der grundlegenden Bausteine der Natur völlig verändern", sagte Christoffer Petersson von Chalmers. Das Modell wird am Large Hadron Collider in der Schweiz getestet.
6 Dunkle Materie in der Sonne
Abhängig von der Methode zur Analyse der Sonne schwankt die Menge der Elemente, die schwerer als Wasserstoff oder Helium sind, um 20 bis 30 Prozent. Wir können jedes dieser Elemente messen, indem wir das Spektrum des Lichts betrachten, das es emittiert, wie einen eindeutigen Fingerabdruck, oder indem wir untersuchen, wie es auf die Schallwellen wirkt, die durch die Sonne wandern, die dann geringfügige Änderungen in der Helligkeit der Sonne verursachen. Der mysteriöse Unterschied zwischen diesen beiden Messungen der Sonnenelemente wird als Problem der Sonnenfülle bezeichnet.
Wir benötigen genaue Messungen dieser Elemente, um die chemische Zusammensetzung der Sonne sowie ihre Dichte und Temperatur zu verstehen. In vielerlei Hinsicht wird es uns auch helfen, die Zusammensetzung und das Verhalten anderer Sterne sowie ihrer Planeten und Galaxien zu verstehen.
Seit Jahren ist es den Wissenschaftlern nicht möglich, eine praktikable Lösung zu finden. Der Astroteilchenphysiker Aaron Vincent und seine Mitarbeiter schlugen dunkle Materie im Kern der Sonne als mögliche Antwort auf das Problem vor. Nachdem sie viele Simulationen durchgeführt hatten, kamen sie auf eine Theorie, die zu funktionieren schien. Es enthielt jedoch eine spezielle Art von dunkler Materie, die als „schwach wechselwirkende asymmetrische dunkle Materie“ bezeichnet wird, die entweder Materie oder Antimaterie sein kann, aber nicht beides.
Aus Messungen der Schwerkraft wissen die Wissenschaftler, dass die Sonne von einem dunklen Halo umgeben ist. Asymmetrische Partikel der dunklen Materie enthalten nicht viel Antimaterie, so dass sie den Kontakt mit normaler Materie überleben und sich im Kern der Sonne ansammeln können. Man nimmt an, dass diese Teilchen auch Energie im Zentrum der Sonne absorbieren und diese Wärme an die Außenkanten transportieren, was das Problem der Sonnenfülle erklären könnte.
"Der Hauptvorteil der asymmetrischen dunklen Materie besteht darin, dass sich eine Menge davon in der Sonne ansammeln kann, wenn sie durch die dunkle Materiewolke, die die Milchstraße überflutet, durchfließt", sagte Vincent. "Wenn die dunkle Materie sich selbst vernichtet, würde die dunkle Materie verschwinden, bevor sie eine beträchtliche Menge an Wärme aus dem Sonnenkern transportiert."
5Darke Materie kann makroskopisch sein
Forscher von Case Western Reserve haben gefragt, ob Wissenschaftler dunkle Materie an den richtigen Stellen suchen. Sie legen nahe, dass dunkle Materie möglicherweise nicht aus winzigen exotischen Partikeln wie WIMPs (schwach wechselwirkenden massiven Partikeln) besteht, sondern anstelle von makroskopischen Objekten, die von einigen Unzen bis zu einem Asteroiden reichen können. Diese Wissenschaftler begrenzen jedoch ihre Theorie, wo sie suchen müssen, indem sie berücksichtigen, was bereits im Weltraum beobachtet wurde. Dies lässt sie glauben, dass das Standardmodell der Teilchenphysik die Antwort liefern wird. Sie glauben nicht, dass ein neues Modell für dunkle Materie notwendig ist.
Die Forscher haben ihre Objekte der dunklen Materie „Makros“ genannt. Sie schlagen nicht vor, dass wir WIMPS und Axionen (schwach wechselwirkende Partikel mit geringer Masse) aus der Betrachtung ausschließen, sondern lediglich, dass wir die Suche nach dunkler Materie auf andere Kandidaten ausweiten. Es gibt Beispiele für Materie, die weder normal noch exotisch sind. Sie wurden nicht untersucht, fallen aber unter die Parameter des Standardmodells.
"Die Community hatte sich irgendwie von der Vorstellung abgewandt, dass dunkle Materie in den späten 80ern aus normalem Material bestehen könnte", sagte der Physikprofessor Glenn Starkman. "Wir fragen, war das vollkommen richtig, und woher wissen wir, dass dunkle Materie keine gewöhnlichen Sachen ist, die aus Quarks und Elektronen hergestellt werden könnten?"
4GPS Erkennung von dunkler Materie
Zwei Physiker haben vorgeschlagen, mit Hilfe von GPS-Satelliten dunkle Materie zu finden, von der die Wissenschaftler behaupten, dass sie möglicherweise keine Partikel sind, wie allgemein angenommen, sondern stattdessen im Gewebe der Raumzeit reißt. "Unsere Forschung verfolgt die Idee, dass dunkle Materie als große, gasähnliche Ansammlung topologischer Defekte oder Energierisse organisiert werden kann", sagte Andrei Derevianko von der University of Nevada. „Wir schlagen vor, die Defekte, die dunkle Materie, zu entdecken, während sie mit einem Netzwerk empfindlicher Atomuhren durch uns strömen. Die Idee ist, wo die Uhren nicht mehr synchron laufen, wissen wir, dass die dunkle Materie, der topologische Defekt, vorüber ist. Tatsächlich stellen wir uns vor, die GPS-Konstellation als den größten von Menschen gebauten dunklen Materiedetektor zu verwenden. “
Die Forscher analysieren Daten von 30 GPS-Satelliten, um zu sehen, ob ihre Theorie sinnvoll ist. Wenn dunkle Materie tatsächlich wie ein Gas ist, wird die Erde sie durchlaufen, während sie die Galaxie umkreist. Wenn sie sich wie Wind verhalten, werden dunkle Materieklumpen durch die Erde und ihre Satelliten geblasen, was dazu führt, dass die GPS-Uhren in den Satelliten und am Boden gelegentlich etwa drei Minuten lang ihre Synchronisation verlieren. Wissenschaftler sollten in der Lage sein, Abweichungen von mehr als einem Milliardstel einer Sekunde zu überwachen.
3Dark Energy kann dunkle Materie essen
Jüngsten Forschungen zufolge scheint dunkle Energie dunkle Materie zu essen, während die beiden interagieren, was wiederum das Wachstum von Galaxien verlangsamt und das Universum letztendlich fast zu einem leeren Ort machen kann. Es könnte sein, dass dunkle Materie in dunkle Energie zerfällt, aber wir wissen es noch nicht. Die Planck-Sonde der Europäischen Union hat uns kürzlich genaue Zahlen zur physischen Zusammensetzung des Universums gegeben: 4,9 Prozent gewöhnliche Materie (einschließlich uns), 25,9 Prozent dunkle Materie und 69,2 Prozent dunkle Energie.
Wir können keine dunkle Materie oder dunkle Energie sehen. Kein Begriff wird auch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft gut verstanden. Sie sind eher wie Platzhalterbegriffe und beschreiben etwas, von dem wir glauben, dass es geschieht, es aber noch nicht erklären kann. Bis wir wirklich wissen, wovon wir sprechen, verwenden wir diese mehrdeutigen Ausdrücke.
Dunkle Materie zieht an und dunkle Energie stößt ab. Dunkle Materie ist das Rückgrat oder Gerüst, auf dem Galaxien und ihr Inhalt aufgebaut sind. Es wird angenommen, dass seine Anziehungskraft die Sterne zum Beispiel in Galaxien zusammenhält. Die Schwerkraft ist stärker, wenn sich Objekte näher beieinander befinden und schwächer, wenn sie weiter voneinander entfernt sind.
Andererseits beschreibt dunkle Energie die Kraft, die bewirkt, dass sich das Universum ausdehnt, indem es ferne Galaxien von uns weg treibt. So wie dunkle Energie diese Objekte abstößt, schwächt die Schwerkraft im Weltraum. Dies deutet darauf hin, dass die Ausdehnung des Weltraums sich beschleunigt und sich nicht wie früher angenommen von den Auswirkungen der Schwerkraft verlangsamt.
"Seit Ende der 1990er Jahre sind Astronomen davon überzeugt, dass etwas die Expansion unseres Universums beschleunigt", sagte Professor David Wands von der University of Portsmouth. „Die einfachste Erklärung war, dass der leere Raum - das Vakuum - eine Energiedichte hatte, die eine kosmologische Konstante war. Es gibt jedoch immer mehr Beweise dafür, dass dieses einfache Modell nicht das gesamte Spektrum astronomischer Daten erklären kann, zu denen Forscher jetzt Zugang haben. Insbesondere das Wachstum der kosmischen Struktur, Galaxien und Galaxienhaufen scheint langsamer zu sein als erwartet. “
Diese Energieübertragung findet nur auf der dunklen Seite statt. Gewöhnliche Materie (wie wir) wird nicht von dunkler Energie verschluckt.
2D-Mark-Materie hat möglicherweise Wellen in der galaktischen Scheibe verursacht
Wenn wir von der Erde aus in den Weltraum schauen, sehen wir, wie die Sterne plötzlich etwa 50.000 Lichtjahre vom Zentrum unserer Galaxie entfernt enden. Wir dachten also, dass dies das Ende unserer Galaxie war. Außerhalb dieses Randes, dem Monoceros-Ring der Sterne, der sich über unserer galaktischen Ebene erstreckt, haben wir bis zu 15.000 Lichtjahre nichts Wesentliches gesehen. Einige unserer Wissenschaftler dachten, sie wären Sterne, die von einer anderen Galaxie weggerissen wurden.
Eine neue Analyse der Daten des Sloan Digital Sky Survey zeigt jedoch, dass der Monoceros-Ring tatsächlich Teil unserer Galaxie ist. Das bedeutet, dass die Milchstraße um mindestens 50 Prozent größer ist als wir dachten, wodurch der Durchmesser unserer Galaxie von etwa 100.000 bis 120.000 Lichtjahren auf etwa 150.000 bis 180.000 Lichtjahre erhöht wurde.
Wenn wir von der Erde aus schauen, können wir aufgrund der Wellen in der galaktischen Scheibe nicht sehen, wie sie sich verbindet. Es ist, als würde man vom Strand aus Wellen im Ozean beobachten. Wenn eine Welle aufsteigt, blockiert sie den Blick auf den Ozean dahinter, mit Ausnahme von Abschnitten noch höherer Wellen. Obwohl unsere Sicht teilweise durch die Form unserer Galaxie blockiert wurde, sahen wir den Monoceros-Ring, weil er aussah, als würde er auf eine höhere Welle schauen.
Diese Entdeckung verändert unser Verständnis darüber, wie die Milchstraße aufgebaut ist. "Im Wesentlichen haben wir festgestellt, dass die Scheibe der Milchstraße nicht nur eine Scheibe aus Sternen in einer flachen Ebene ist - sie ist gewellt", sagte Heidi Newberg von der Rensselaer School of Science. „Da es von der Sonne nach außen strahlt, sehen wir mindestens vier Wellen in der Scheibe der Milchstraße. Während wir nur einen Teil der Galaxie mit diesen Daten betrachten können, gehen wir davon aus, dass dieses Muster auf der gesamten Diskette zu finden ist. “
Wie die Wellen, die durch einen in einen Teich geworfenen Kieselstein verursacht werden, glauben Wissenschaftler, dass diese Wellen in unserer Galaxie möglicherweise von einem Klumpen dunkler Materie oder einer Zwerggalaxie verursacht wurden, die sich durch die Scheibe der Milchstraße schneiden. Wenn diese Theorie stimmt, würden diese Wellen den Forschern eine Möglichkeit geben, die Verteilung der dunklen Materie in der Milchstraße zu analysieren.
1Die Gamma Ray-Signatur
Bis vor kurzem konnten Wissenschaftler dunkle Materie nur durch Beobachtung der möglichen Auswirkungen der Schwerkraft auf andere Objekte im Weltraum erkennen. Die Forscher glauben jedoch, dass Gammastrahlen ein direkteres Signal sein können, das unsichtbare dunkle Materie in unserem Universum lauert. In einer aufregenden Entwicklung haben sie vielleicht die erste Gammastrahlsignatur in Reticulum 2, einer neu entdeckten Zwerggalaxie in der Nähe der Milchstraße, gefunden.
Gammastrahlen sind eine Form hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, die von den dichten Zentren von Galaxien emittiert wird. Wenn es wahr ist, dass dunkle Materie aus WIMPs besteht, dann wären dunkle Materieteilchen eine Quelle für Gammastrahlen, die erzeugt werden, wenn sich WIMPs bei Kontakt gegenseitig vernichten. Gammastrahlen können jedoch auch von anderen Quellen wie schwarzen Löchern und Pulsaren emittiert werden. Wenn unsere Analyse diese anderen Gammastrahlenquellen eliminieren kann, können möglicherweise verbleibende Gammastrahlen aus dunkler Materie stammen. Zumindest ist das die Theorie.
Wissenschaftler glauben, dass den meisten Zwerggalaxien außer der dunklen Materie keine signifikanten Quellen für Gammastrahlen zur Verfügung stehen, die bis zu 99 Prozent einer Zwerggalaxie ausmachen können. Aus diesem Grund waren Physiker von den Universitäten Carnegie Mellon, Brown und Cambridge aufgeregt, als sie die Entdeckung von Gammastrahlen aus Reticulum 2 erregten.
"Die Erfassung der dunklen Materie durch Schwerkraft sagt sehr wenig über das Teilchenverhalten der dunklen Materie aus", sagte Matthew Walker von der Carnegie Mellon University.„Aber jetzt haben wir vielleicht eine nicht gravitative Detektion, die zeigt, dass sich dunkle Materie wie ein Partikel verhält, was eine Art heiliger Gral ist.“ Natürlich gibt es andere Quellen für Gammastrahlen in Zwerggalaxien, die wir nicht identifiziert haben noch. Die kürzlich entdeckte Entdeckung von neun potenziellen Zwerggalaxien in der Nähe der Milchstraße könnte Wissenschaftlern die Möglichkeit geben, diese Theorie des Erfassens dunkler Materie weiter zu erforschen.