Laut dem Forschungsteam ermöglichen ihre Ergebnisse auch eine genauere Bestimmung des Anteils der dunklen Energie an Energie und Materie im Universum. Zu ihren Schlussfolgerungen gelangten sie nach der Analyse von Beobachtungen von Galaxienhaufen, die mit dem Röntgenteleskop eROSITA durchgeführt wurden. Dieses scannt den gesamten Himmel über der Erde nach erkennbaren Galaxienhaufen ab. eROSITA ist an Spektr-RG montiert, einem russisch-deutschen Weltraumteleskop, das 2019 in die Erdumlaufbahn gebracht wurde.
Physiker vermuteten erstmals 1933 die Existenz dunkler Materie. Dies lag unter anderem daran, dass Gleichungen zeigten, dass Galaxien keine beobachtbare Materie besitzen, die sie vor dem Zerfall schützen würde. Darüber hinaus entsprachen die beobachteten Rotationsraten von Galaxien nicht den erwarteten Ergebnissen gängiger physikalischer Modelle.
Weitere Forschungen verzögerten sich weitgehend bis in die 1970er Jahre, als Astronomen und Physiker dank ausgefeilterer wissenschaftlicher Instrumente – von Gammastrahlendetektoren bis hin zu Weltraumteleskopen – frühere Berechnungen und Beobachtungen bestätigen konnten.
Leistungsstarke Radioteleskope lieferten ebenfalls Hinweise, wie etwa den Gravitationslinseneffekt (ein Effekt, bei dem Materie Licht zwischen Quelle und Beobachter beugt) und lieferten überzeugende Beweise für die Existenz von Materie, die wir zwar erkennen, aber nicht sehen können. Der Schlüssel liegt darin, dass wir sie nicht sehen können; sie interagiert nicht mit Licht.
Alles, was Sie sehen, alles, was Sie fühlen, alles, woraus Sie bestehen, macht nur 5 Prozent des Universums aus, der Rest ist dunkle Materie.
Physiker haben berechnet, dass etwa 27 Prozent des gesamten Universums aus dunkler Materie bestehen und der Rest (68 Prozent) ein ebenso mysteriöses Phänomen namens dunkle Energie ist.
Der unsichtbare Teil des Universums besteht aus zwei Komponenten: Dunkler Energie und Dunkler Materie. Letztere ist etwas weniger mysteriös, und Wissenschaftler sind sich ihrer Existenz praktisch sicher: Ohne sie würden die Gesetze der Schwerkraft schlichtweg nicht funktionieren. Galaxien, wie wir sie sehen, hätten sich seit dem Urknall nicht zu ihrer heutigen Größe zusammenballen können, wenn nur sichtbare Materie existiert hätte. Darüber hinaus könnten viele Galaxien nicht einmal zusammenhalten, wenn die Schwerkraft der sichtbaren Materie die einzige Kraft wäre, die sie zusammenzieht.
Das neue europäische Weltraumteleskop Euclid soll diese unsichtbare Materie kartieren. Doch was, wenn die Ergebnisse nicht den Erwartungen entsprechen? Viel steht auf dem Spiel, darunter auch Einsteins berühmte und weithin anerkannte Allgemeine Relativitätstheorie.
Bei der Dunklen Energie ist die Situation jedoch komplexer. Die Entdeckung dieser schwer fassbaren Kraft geht auf das Jahr 1998 zurück, als Astronomen feststellten, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Ursprünglich wurde diese Expansion durch die Energie des Urknalls angetrieben, doch da dieser schon so lange zurückliegt (genauer gesagt vor 13,8 Milliarden Jahren), sollte sich diese Expansion verlangsamen.
Um dieses Rätsel zu lösen, haben Theoretiker die Existenz einer mysteriösen Kraft – der Dunklen Energie – postuliert, die der Schwerkraft widersteht und Materie auseinander treibt. Kosmologischen Modellen zufolge macht die Dunkle Energie laut NASA 68 % der gesamten Energie im Kosmos aus. Astronomen räumen jedoch ein, dass die Beweise für ihre Existenz eher vage sind.
Astronomen hoffen, in der von der Euclid-Mission kartierten Verteilung der Galaxien im Weltraum Spuren dunkler Energie zu entdecken.
Modelle zeigen, dass diese Energie gleichmäßig im Universum verteilt sein sollte und ihre Intensität stets gleich geblieben ist. Zu Beginn des Universums war der Einfluss der Dunklen Energie noch nicht so deutlich spürbar, da der anfängliche „Schub“ des Urknalls den größten Teil der Expansion des Universums auslöste. Vor etwa 5 bis 6 Milliarden Jahren wurde die Dunkle Energie jedoch zur dominierenden Kraft und wirkte der Gravitation sowohl der gewöhnlichen als auch der Dunklen Materie entgegen.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass Dunkle Energie überhaupt nicht existiert und die kosmologischen Modelle, die ihre Existenz vorhersagen, falsch sind. Diese Modelle basieren auf Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, die die physikalischen „Regeln“ des Universums mithilfe einer Reihe von Gleichungen beschreibt. Sollten zukünftige Beobachtungen mit dem Euclid-Teleskop (und anderen Teleskopen zur Erforschung Dunkler Energie) zeigen, dass Dunkle Energie keine so konstante und allgegenwärtige Kraft ist, würde dies bedeuten, dass diese berühmte Theorie nicht ganz richtig ist.
Euclid wird nach Hinweisen auf dunkle Energie suchen, indem es die Verteilung der Galaxien über die letzten zehn Milliarden Jahre kartiert und vergleicht, wie sich diese Verteilung im Laufe der Entwicklung des Universums verändert hat. Diese Beobachtungen werden zeigen, ob es tatsächlich eine konstante, allgegenwärtige Kraft gibt oder ob etwas anderes am Werk ist.
Allgemein gesagt können wir Materie und Energie im Universum messen, indem wir sie in einer von vier Wechselwirkungen beobachten:
— Mit elektromagnetischer Strahlung (Licht)
— Durch Gravitationseffekte
— Mit anderer Materie durch die starke Kernkraft, die Materie zusammenhält
— Die schwache Kernkraft oder die Wechselwirkung subatomarer Teilchen, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist
Dunkle Materie entzieht sich den meisten dieser Beobachtungen, da sie – außer durch die Schwerkraft – offenbar überhaupt nicht mit gewöhnlicher Materie interagiert. Das hält Physiker jedoch nicht davon ab, andere Methoden auszuschließen.
Dieser Korridor führt zum Jadugoda Underground Research Laboratory in Indien. Dieses Labor befindet sich 560 Meter unter der Oberfläche und wird nach schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPS) suchen, die auf die Existenz dunkler Materie hinweisen.
Eines von Browns Forschungsgebieten ist die Untersuchung der Wechselwirkungen von Dunkler Materie mit gewöhnlicher Materie in Form flüssiger Xenon-Isotope. Die Halbwertszeit von Xenon-124 ist etwa eine Billion Mal so hoch wie das Alter des Universums. Riesige Mengen dieser Substanz werden tief in Bohrlöcher in der Erdkruste gepumpt, um Hintergrundrauschen wie elektromagnetische Strahlung zu begrenzen, das die Messungen stören könnte. Nur Dunkle Materie und bestimmte subatomare Teilchen wie Myonen und Neutrinos können Tausende von Metern dichtes Gestein durchdringen.
Theoretisch könnten nur der außergewöhnlich langsame natürliche radioaktive Zerfall von Xenon-124 oder Wechselwirkungen mit Myonen, Neutrinos oder dunkler Materie Veränderungen des Isotops verursachen. Sollte ein subatomares Dunkle-Materie-Teilchen ein Elektron aus Xenon-124 herausschlagen, dürfte das Xenon1T-Experiment dies nachweisen.
Das Experiment wird tief unter der Erde durchgeführt, um die Belastung durch elektromagnetische Strahlung zu vermeiden. XENON1T
Zwar konnten Wissenschaftler, die sich mit der Erforschung der Dunklen Materie beschäftigen, bisher keine direkten Wechselwirkungen mit den schwer fassbaren subatomaren Teilchen feststellen, doch haben sie eine Reihe anderer interessanter Beobachtungen gemacht, darunter den Zerfall von Xenon-124 – das seltenste Ereignis, das jemals in der Menschheitsgeschichte aufgezeichnet wurde.
Wir wissen mehr darüber, was dunkle Materie nicht ist, als darüber, was sie ist. Erstens handelt es sich nicht um dunkle Energie. Es handelt sich um eine Energieform, deren Existenz ebenfalls indirekt bewiesen wurde, die aber wahrscheinlich deshalb existiert, weil sich das Universum entgegen den physikalischen Gesetzen für gewöhnliche Materie und Energie immer schneller ausdehnt.
Und Dunkle Materie ist keine Antimaterie, sondern gewöhnliche Materie aus subatomaren Teilchen mit einer der Materie genau entgegengesetzten Ladung. Wenn Antimaterie und Materie kollidieren, vernichten sie sich und erzeugen Gammastrahlungsausbrüche. Dunkle Materie kann ebenfalls Gammastrahlung aussenden, wenn sie mit ihrem Gegenstück, der dunklen Antimaterie, kollidiert und dabei gewöhnliche Materie bildet.
Und schließlich ist Dunkle Materie nicht einfach eine weitere Klasse der drei Familien gewöhnlicher Materie wie Hadronen, Leptonen oder Bosonen, von denen die letzten beiden bisher nur theoretisch bekannt waren, nun aber endlich in Teilchenbeschleunigern direkt nachgewiesen wurden und sich anders verhalten als erwartet.
Leptonen und Bosonen geben uns jedoch einen Hinweis darauf, wie es weitergehen kann. Dunkle Materie scheint eine Materieform zu sein, die aus einer oder mehreren völlig anderen Klassen subatomarer Teilchen besteht. Eines der vielversprechendsten ist das WIMP (weakly interacting massive particle).
Trotz ihres vagen Namens wird angenommen, dass WIMPs eine tausendmal größere Masse besitzen als die Masse von Protonen in gewöhnlicher Materie. Und die Theorie, die die Funktionsweise von WIMPs beschreibt, steht im Einklang mit Berechnungen der Menge an dunkler Materie im Universum.
Doch WIMPs sind bei weitem nicht die einzige Theorie, die in Betracht gezogen werden kann. Es gibt auch primordiale Schwarze Löcher, im Wesentlichen kleine schwarze Löcher, die vom Urknall übrig geblieben sind. Allerdings konnten Forscher in ihnen keine Gravitationsmikrolinsen beobachten, was die Möglichkeit ausschließt, dass ein Teil der Masse in primordialen Schwarzen Löchern aus dunkler Materie bestehen könnte.
Dann gibt es theoretische Überlegungen zu Teilchen wie SIMPs und Axionen und unzähligen anderen möglichen Hinweisen.
Natürlich kann es ziemlich mühsam sein, Forschung zu betreiben, wenn man nicht beobachten kann, was man für existent hält oder was nicht unbedingt existiert. Forscher der Yale University haben beispielsweise zwei Galaxien entdeckt, die überhaupt keine dunkle Materie enthalten. Diese Forschung weist auf einige faszinierende Möglichkeiten hin, wie dunkle Materie im Universum funktioniert: Dunkle Materie interagiert mit gewöhnlicher Materie über einen Mechanismus, den wir derzeit noch nicht verstehen – die sogenannte „Dunkle Kraft“ oder fünfte Kraft im Universum.
Ein zusammengesetztes Bild von optischen und Röntgenteleskopen, wobei wahrscheinliche dunkle Materie blau hervorgehoben ist, obwohl sie auf den Bildern nicht direkt sichtbar ist. Peter van Dokkum/Yale University
Eine andere Idee ist, dass dunkle Materie über bekanntere Kräfte als nur die Schwerkraft interagiert, dies jedoch mit einer so schwachen Wechselwirkungsstärke, dass wir einfach noch nicht über die Mittel verfügen, um Signale zuverlässig zu erkennen.
In den letzten 50 Jahren hat sich die Teilchenphysik darauf konzentriert, das Universum in seine kleinsten Bestandteile zu zerlegen. Derzeit passt Dunkle Materie nicht in einige Vorstellungen über die Funktionsweise des Universums, insbesondere nicht in das Standardmodell der Teilchenphysik.
Darüber hinaus hat die fundamentale Teilchenphysik, einschließlich der Suche nach dunkler Materie, bereits zu bedeutenden technologischen Fortschritten geführt. Viele der in diesem Bereich eingesetzten Nachweisverfahren sind auch in anderen Bereichen, wie der medizinischen Bildgebung oder der nuklearen Sicherheit, weit verbreitet.
Das Internet beispielsweise entstand teilweise, weil theoretische Physiker am CERN neue Wege zum Datenaustausch finden wollten. GPS hingegen basiert teilweise auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, die erklärt, wie die Schwerkraft Raum und Zeit krümmt.
Dunkle Materie scheint wie ein Netzwerk im Kosmos verteilt zu sein. An den Knotenpunkten der Filamente bilden sich Galaxienhaufen. Dunkle Materie interagiert nicht mit Licht und ist daher nicht direkt sichtbar. Wissenschaftler weisen ihre Präsenz stattdessen anhand ihrer Gravitationswirkung auf sichtbare Objekte nach.
Hier sind einige wichtige Beweise für die Existenz dunkler Materie:
1. Rotationskurven von Galaxien
Wenn Astronomen die Rotationsgeschwindigkeit von Sternen um das Zentrum von Galaxien messen, entdecken sie etwas Merkwürdiges. Sterne an den Rändern von Galaxien bewegen sich viel schneller, als sie es tun würden, wenn nur sichtbare Materie vorhanden wäre. Dies deutet darauf hin, dass etwas Unsichtbares – Dunkle Materie – die Masse der Galaxie erhöht und diese Sterne daran hindert, ins All zu entweichen.
2. Gravitationslinseneffekt
Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie können massereiche Objekte den Weg des Lichts verzerren. Auf dem Weg zu uns passiert Licht von fernen Galaxien manchmal unsichtbare Klumpen dunkler Materie, die den Lichtweg durch ein Phänomen namens Gravitationslinseneffekt verzerren. Durch die Untersuchung der Lichtverzerrung durch Galaxienhaufen konnten Astronomen die dunkle Materie im Universum kartieren.
3. Relikt-kosmische Strahlung (RCR)
Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) ist die Reststrahlung des Urknalls. Sie enthält winzige Temperaturschwankungen, die die Verteilung der Materie im frühen Universum verraten. Die Natur dieser Schwankungen ist nur dann verständlich, wenn bereits dunkle Materie existierte und die Verdichtung gewöhnlicher Materie beeinflusste.
4. Großräumige Struktur des Universums
Computersimulationen der Entwicklung des Universums zeigen, dass Galaxien und Galaxienhaufen auf diese Weise nur in Gegenwart großer Mengen dunkler Materie entstehen. Ohne sie wären die Strukturen viel kleiner und stärker verstreut.
Ein mysteriöses Leuchten, das vom Zentrum der Milchstraße ausgeht, könnte durch die Zerstörung dunkler Materie verursacht werden. Mattia Di Mauro (ESO/Fermi-Lat)
Hier sind einige der führenden Kandidaten für dunkle Materie:
1. WIMP (schwach wechselwirkende massive Teilchen)
Diese hypothetischen Teilchen gehören zu den aussichtsreichsten Kandidaten. Sie besitzen Masse und interagieren über die Schwerkraft und möglicherweise die schwache Kernkraft, nicht jedoch über Licht oder Elektromagnetismus, was sie unsichtbar macht. Große unterirdische Detektoren versuchen, eines dieser schwer fassbaren Teilchen in Aktion zu erkennen, bisher jedoch ohne Erfolg.
2. Axionen
Axionen sind ultraleichte Teilchen, die in großer Zahl vorkommen und im Weltraum wie eine kalte, unsichtbare Flüssigkeit wirken können. Sie sind ein weiterer starker Kandidat für Dunkle Materie, insbesondere weil sie zur Lösung anderer physikalischer Rätsel beitragen könnten, beispielsweise des starken CP-Zusammensetzungsproblems in der Teilchenphysik.
3. Sterile Neutrinos
Neutrinos sind geisterhafte Teilchen, die kaum mit Materie interagieren. Sterile Neutrinos wären noch schwerer fassbar als gewöhnliche Neutrinos. Sollten sie existieren, könnten sie die Dunkle Materie teilweise oder vollständig erklären.
4. Ursprüngliche Schwarze Löcher
Einige Wissenschaftler spekulieren, dass dunkle Materie aus winzigen schwarzen Löchern bestehen könnte, die sich im frühen Universum gebildet haben. Diese wären klein und schwer zu entdecken, ihre Existenz bleibt jedoch unwahrscheinlich.
Eine neue experimentelle Technik hat die Suche nach einem potenziellen Kandidaten für Dunkle Materie, den sogenannten „Dunkelphotonen“, eingeschränkt. Die neue Methode könnte Wissenschaftlern helfen, Licht auf die geheimnisvollste Substanz des Universums zu werfen, indem sie die Suche nach einem spezifischen Kandidaten für Dunkle Materie – den verborgenen „Dunkelphotonen“ – eingrenzt.
Dunkle Materie macht etwa 85 % der Materie im Universum aus. Da sie jedoch nicht oder nur sehr schwach mit Licht interagiert, bleibt sie praktisch unsichtbar. Die Tatsache, dass Dunkle Materie scheinbar nicht elektromagnetisch interagiert, bedeutet, dass Wissenschaftler wissen, dass sie nicht aus den Atomen bestehen kann, aus denen „gewöhnliche“ Materie besteht – aus dem Stoff, aus dem Sterne, Planeten und unser Körper bestehen. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Juni 2023 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Das Rätsel der Dunklen Materie ist für Wissenschaftler deshalb so dringlich, weil die beobachtbare Materie nur 15 % der gesamten Materie im Kosmos ausmacht, Energie nicht mitgerechnet. Dies hat zur Suche nach potenziellen Kandidaten für Dunkle Materie geführt, wie beispielsweise sogenannten „verborgenen“ oder „dunklen“ Photonen.
Diese dunklen Photonen unterscheiden sich von gewöhnlichen Photonen, den masselosen Teilchen, aus denen Licht besteht, da dunkle Photonen theoretisch eine Masse besitzen sollten. Die Masse dunkler Photonen ist jedoch vernachlässigbar, etwa zwanzig Größenordnungen kleiner als die Masse eines Elektrons. Diese ultraleichte Natur macht dunkle Photonen zu guten Kandidaten für dunkle Materie, macht sie aber auch unglaublich schwer nachweisbar.
Dunkle Photonen wurden ursprünglich als Kandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen, da sie theoretisch nur schwach mit gewöhnlichen Photonen wechselwirkten und somit zur Erwärmung des frühen Universums beitragen könnten. Dies erklärt, warum das kosmische Netz, die großräumige Struktur im Universum, die Galaxien verbindet, heißer war als durch Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops vorhergesagt.
Forscher des California Institute of Technology (Caltech) haben eine neue Methode zum Nachweis dunkler Photonen entwickelt. Zwar konnte mit dieser neuen Strategie bisher kein einziges hypothetisches Teilchen nachgewiesen werden, doch wurden deren Eigenschaften eingeschränkt, was zukünftige Forschungen erleichtern wird.
„Die Empfindlichkeit eines Experiments mit verborgenen Photonen aus dunkler Materie hängt von der Stärke des Signals aus dunkler Materie im Vergleich zum kleinsten Signal ab, das man erkennen kann“, sagte Teammitglied Nikita Klimovich, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Physik der Universität Oxford, gegenüber Phys.org.
„Bei der Suche nach verborgenen Photonen hängt die Amplitude des Dunkle-Materie-Signals von der Fläche der verwendeten Metallantenne ab, während der minimal erkennbare Signalpegel weitgehend vom Rauschpegel der Verstärker bestimmt wird, die zum Lesen des Signals von der Antenne verwendet werden“, fügte Klimovich hinzu.
Die Suche des Teams nach dunklen Photonen wurde von einem früheren Versuch inspiriert, nach verborgener dunkler Materie zu suchen: dem SHUKET-Experiment, bei dem ein elektromagnetisches Teleskop zum Einsatz kam. Frühere Studien, die diese Arbeit inspirierten, wie das SHUKET-Experiment, zielten im Allgemeinen darauf ab, die Signalleistung durch den Einsatz einer sehr großen Antenne mit den besten kommerziell erhältlichen rauscharmen Verstärkern zu maximieren.
In der neuen Studie verfolgte das Team jedoch einen anderen Ansatz: Es verwendete quantenbegrenzte Verstärker anstelle von Standardverstärkern und suchte bei unglaublich niedrigen Temperaturen nach dunklen Photonen. Sie untersuchten sie bei Temperaturen von minus 459 Grad Fahrenheit (minus 272,9 Grad Celsius) bis minus 459,6682 Grad Fahrenheit (minus 273,149 Grad Celsius), was nur einen Bruchteil eines Grades über der niedrigsten theoretisch möglichen Temperatur – dem absoluten Nullpunkt – liegt.
Zwar konnten die Wissenschaftler dadurch die minimal nachweisbaren Signalpegel im Vergleich zu anderen Experimenten mit handelsüblichen Geräten deutlich reduzieren, doch diese Methode hatte einen gravierenden Nachteil: Das geringe Volumen der Vakuumisolierung des Kryostaten, mit der die Wissenschaftler ihre Apparatur kühlten, schränkte die Größe der kugelförmigen Metallschale, die sie für ihre Forschung verwenden konnten, stark ein.
Dies bedeutete zwar ein viel schwächeres Signal als das von SHUKET und anderen Dunkle-Materie-Experimenten erfasste, das Team hoffte jedoch, dass dieser Mangel durch die erhöhte Empfindlichkeit der von ihnen gesammelten Messungen ausgeglichen werden würde.
„Gäbe es ein verborgenes Photon mit einer Masse, die dem von uns wahrgenommenen Frequenzbereich entspricht, würden wir im Vergleich zur Referenz einen leichten Leistungsüberschuss von der Antenne feststellen“, sagte Klimovich. „Da wir ein solches Signal nicht beobachtet haben, könnten wir eine neue Obergrenze für die Wechselwirkung eines solchen verborgenen Photonenteilchens mit einem elektromagnetischen Feld festlegen, basierend auf dem kleinsten von uns messbaren Signalpegel.“
Obwohl das dunkle Photonensignal in den Messungen des Teams nicht vorhanden war, legte der von den Wissenschaftlern gewählte Ansatz neue, strenge Beschränkungen für die theoretisch verborgenen Photonen fest. Bei der weiteren Suche nach Kandidaten für dunkle Materie könnten diese Beschränkungen und der neue Ansatz letztendlich zur Entdeckung dunkler Photonen und damit zur Lösung des Rätsels der dunklen Materie beitragen.
Manche Wissenschaftler spekulieren, dass Dunkle Materie aus winzigen Schwarzen Löchern bestehen könnte, die durch den Kollaps sogenannter „dunkler Baryonen“ entstehen. Alternativ könnte Dunkle Materie auch ein Teilchentyp sein, der durch Hawking-Strahlung am kosmischen Horizont entsteht.
Jahrzehntelang galten WIMPs (schwach wechselwirkende massive Teilchen) als aussichtsreichste Kandidaten für Dunkle Materie. Doch da die Suche nach WIMPs in eine Sackgasse gerät und Experimente weiterhin scheitern, entstehen neue Theorien zur Dunklen Materie. Darunter sind zwei neue Modelle von Stefano Profumo, Professor für Theoretische Physik an der University of California in San Diego. Seine Ideen bieten eine völlig neue Perspektive auf das Problem der Dunklen Materie.
In einer seiner Arbeiten untersucht Profumo, ob ein „dunkler Sektor“ die Quelle dunkler Materie sein könnte. Mit „dunklem Sektor“ meint er nicht, dass unser Universum von dunkler Materie und dunkler Energie beherrscht wird. Vielmehr meint er eine Art „Spiegelwelt“ von Teilchen, die durch Kräfte interagieren, die außerhalb der Kontrolle der Materie in unserer Welt liegen. Profumos Hypothese des dunklen Sektors und der Schwarzen Löcher wurde am 9. Mai 2024 in Physical Review D veröffentlicht, und sein Modell des kosmischen Horizonts erschien am 8. Juli in derselben Zeitschrift.
Profumo argumentiert, dass dieses Konzept nicht so seltsam sei, wie es scheinen mag. Er betont beispielsweise, wie die Quarks in Protonen und Neutronen durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden. Elektronen hingegen reagieren völlig unempfindlich auf die starke Kraft. Sie spüren sie überhaupt nicht. Für sie ist die starke Kraft ein dunkles Reich.
Ein Diagramm der Geschichte des Universums und der Lage des kosmischen Horizonts. Quanteneffekte am Horizont könnten zur Entstehung dunkler Materie im frühen Universum geführt haben. Stefano Profumo
Laut Profumo wären dunkle Baryonen in diesem dunklen Sektor gleichwertig mit Protonen oder Neutronen, außer dass sie mehr als drei Quarks enthalten und daher massereicher sein könnten.
Der nächste Schritt in der Theorie des Forschers wurde von seinem jugendlichen Sohn inspiriert, der sich fragte, ob ein ausreichend massereiches Teilchen unter seiner eigenen Schwerkraft kollabieren und ein Mini-Schwarzes Loch bilden könnte. Dunkle Baryonen im Dunklen Sektor, falls es ihn gibt, könnten massiv genug sein, um genau das zu tun – und diese winzigen Schwarzen Löcher könnten im gesamten Universum verbreitet sein und gemeinsam das bilden, was wir Dunkle Materie nennen.
Schwarze Löcher, ob groß oder klein, sind von einer unsichtbaren Grenze umgeben, dem sogenannten Ereignishorizont. Innerhalb dieses Bereichs ist die Schwerkraft so stark, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Der Ereignishorizont ist jedoch „heiß“: Durch Quanteneffekte an dieser Grenze erzeugte Teilchen können sogenannte Hawking-Strahlung aussenden (benannt nach dem berühmten Physiker Stephen Hawking, dem diese Idee zugeschrieben wird). Mit der Zeit entzieht die Hawking-Strahlung dem Schwarzen Loch Masse und Energie, wodurch es allmählich verdunstet. Bei supermassereichen Schwarzen Löchern würde dies unvorstellbar lange dauern – mindestens 10^100 Jahre. Schwarze Löcher auf der kleinsten Skala – der sogenannten Planck-Skala – können jedoch in einer Zeit verdunsten, die kürzer ist als das Alter des Universums.
Wenn man jedoch bestimmte Annahmen über die Natur dieser durch den Kollaps dunkler Baryonen entstandenen Schwarzen Löcher trifft, kann ihre Hawking-Strahlung unterdrückt werden, wodurch ihre Verdampfung verhindert wird und sie als dunkle Materie wirken können.
Eine weitere Idee von Profumo nutzt ebenfalls das Konzept der Hawking-Strahlung, allerdings auf eine völlig neue Art und Weise.
Wir leben in einem Universum, das sich immer schneller ausdehnt und dabei so weit entfernte Regionen mit sich trägt, dass ihr Licht uns niemals erreichen wird. Dies führt zu einer Grenze, dem kosmischen Horizont, der den Rand des sichtbaren Universums definiert. Jenseits dieses Horizonts mag sich noch viel mehr vom Universum befinden, aber wir werden es nie sehen.
Kehren wir nun zum Urknall zurück. Das Universum begann mit einem Ausbruch expansiver Energie, der sogenannten Inflation. Diese Inflationsperiode dauerte nur den Bruchteil einer Sekunde. Einige Modelle legen jedoch auch nahe, dass nach der Inflation ein zweiter, kurzer Ausbruch expansiver Energie erfolgte. Im Wesentlichen könnte diese Phase der Mini-Inflation mit der Inflation und ihrem Ende zusammenhängen oder durch ähnliche Faktoren verursacht werden.
Diese zweite Expansionsphase schuf kosmische Horizonte, die denen ähneln, die heute das sichtbare Universum begrenzen. Das sichtbare Universum hat heute jedoch einen Durchmesser von 93 Milliarden Lichtjahren, mit der Erde im Zentrum (das Konzept eines „sichtbaren“ Universums ist stark beobachterabhängig – Beobachter in verschiedenen Teilen des Weltraums sehen unterschiedliche Volumina des beobachtbaren Universums um sich herum). Die enorme Größe des sichtbaren Universums bedeutet, dass die Temperatur am kosmischen Horizont sehr niedrig ist, da der Weltraum selbst stark zersplittert ist.
Dieses zusammengesetzte Bild zeigt die Verteilung von Dunkler Materie, Galaxien und heißem Gas im Kern des verschmelzenden Galaxienhaufens Abell 520, der durch die heftige Kollision massereicher Galaxienhaufen entstanden ist. Blaue Bereiche markieren die Position des größten Teils der Masse des Haufens, der überwiegend aus Dunkler Materie besteht. NASA, ESA, CFHT, CXO, MJ Jee, A. Mahdavi
Während des zweiten Inflationsschubs war das Universum jedoch immer noch unglaublich kompakt und die Temperatur am Horizont immer noch extrem hoch.
Profumo erkannte, dass diese frühen kosmischen Horizonte wie Ereignishorizonte wirken könnten; tatsächlich erinnert das Konzept ein wenig an ein Schwarzes Loch, nur umgekehrt: Alles jenseits des kosmischen Horizonts ist für immer von uns getrennt, genau wie alles innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs von uns getrennt ist. Und so wie der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs Hawking-Strahlung aussendet, vermutete Profumo, dass auch der kosmische Horizont Hawking-Strahlung erfahren könnte und dass die Energie dieser Strahlung in eine Art Dunkle-Materie-Teilchen umgewandelt werden könnte.
Dies mag etwas willkürlich erscheinen, da die Position des kosmischen Horizonts vom Standort des Beobachters abhängt. Da das Universum jedoch homogen (in allen großen Maßstäben an jedem Punkt gleich) und isotrop (in alle Richtungen gleich) ist – zwei Binsenweisheiten, die wir das kosmologische Prinzip nennen –, sollten zwei beliebige Beobachter unabhängig von ihrem Standort die gleiche Menge an dunkler Materie sehen.
Profumo behauptet nicht, dass dunkle Materie notwendigerweise eine dieser beiden Möglichkeiten sein muss; vielmehr bedeutet die Tatsache, dass er zwei Theorien entwickelt hat, dass er sich nicht auf eine bestimmte Theorie festlegen möchte.
Alles, was wir über Dunkle Materie mit Sicherheit wissen, ist, dass sie über die Schwerkraft interagiert. Trotz ihres Rätsels dominiert sie jedoch völlig die Art und Weise, wie sich Materie im Universum zu Galaxien zusammenfügt. Fast ein Jahrhundert ist vergangen, seit Fritz Zwicky erstmals ihre Existenz postulierte, und etwa ein halbes Jahrhundert, seit Vera Rubin die Notwendigkeit von Dunkler Materie in unserem Universum bestätigte, aber wir wissen immer noch nichts über sie. Experimente können ihre Eigenschaften eingrenzen. Je mehr Ideen wir haben, desto wahrscheinlicher ist es, dass wir eine davon mit den beobachteten Eigenschaften von Dunkler Materie in Übereinstimmung bringen.
Einige Forscher vermuten, dass dunkle Materie überhaupt nicht existiert – vielleicht bricht unser Verständnis der Schwerkraft auf großen Skalen zusammen. Eine der bekanntesten alternativen Theorien heißt Modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND). Sie korrigiert das Verhalten der Schwerkraft bei sehr geringen Beschleunigungen, beispielsweise am Rande von Galaxien.
Allerdings können die MOND-Theorie und ähnliche Theorien nicht alle verfügbaren Daten erklären, insbesondere nicht die detaillierten Muster der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung und der Gravitationslinseneffekte. Deshalb glauben die meisten Wissenschaftler immer noch, dass es sich bei Dunkler Materie um eine reale Substanz handelt, die wir bisher einfach nicht direkt nachweisen können.
Dunkle Materie interagiert nicht mit Licht, daher können wir sie nicht direkt sehen. Stattdessen erkennen Wissenschaftler ihre Präsenz anhand ihres Gravitationseinflusses auf sichtbare Objekte.
Kosmologen gehen im Allgemeinen davon aus, dass Dunkle Materie das Verhalten von Galaxien erklärt. Das liegt zum Teil daran, dass es so schwierig war, eine erfolgreiche Theorie der modifizierten Gravitation (MOND) zu formulieren. Und zum Teil daran, dass Wissenschaftler, als sie Mikrowellenteleskope auf die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB), das Licht aus dem frühen Universum, richteten, feststellten, dass gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie dieselbe Menge und Art Dunkler Materie auch erforderlich war, um das Verhalten von Schallwellen zu erklären, die sich durch das Universum ausbreiteten, als es weniger als 500.000 Jahre alt war, und deren Fingerabdrücke wir sehen können. Die modifizierte Gravitation kann nur schwer eine einheitliche Erklärung für all diese Systeme liefern – Galaxien, Galaxienhaufen, das Universum selbst.
Wenn dunkle Materie existiert, muss sie Masse haben. Masselose dunkle Materie könnte sich nicht so verhalten, dass die Probleme, die dunkle Materie verursacht, gelöst würden.
Zwei Dinge wissen wir mit Sicherheit über dunkle Materie (vorausgesetzt, sie existiert): Sie übt eine Gravitationskraft aus (hat Masse) und bewegt sich langsam (im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit).
Experimente, die zum Schutz vor kosmischer Strahlung oft tief unter der Erde durchgeführt werden, zielen darauf ab, Dunkle-Materie-Teilchen zu erkennen, die mit dem Detektor interagieren. Experimente wie LUX-ZEPLIN (LZ) und XENONnT heben die Empfindlichkeit auf ein neues Niveau.
Der Large Hadron Collider (LHC) lässt Teilchen mit hoher Energie kollidieren und erzeugt dabei möglicherweise dunkle Materieteilchen, die nicht nachweisbar sind, in den Kollisionsdaten jedoch fehlende Energie und Impuls hinterlassen.
Teleskope auf der ganzen Welt und im Weltraum kartieren weiterhin die Verteilung der Dunklen Materie mithilfe von Gravitationslinseneffekten und Galaxiendurchmusterungen. Instrumente wie das Vera C. Rubin-Observatorium und die Euclid-Mission der Europäischen Weltraumorganisation werden noch bessere Daten liefern.
Spezialexperimente wie ADMX (das Axion Dark Matter Experiment) und die Suche nach sterilen Neutrinos testen andere potenzielle Kandidaten für Dunkle Materie.
Weitere Informationen zur Dunklen Materie finden Sie auf der Website des Fermi National Accelerator Laboratory (USA), das an hochmodernen Teilchenbeschleunigern Hochenergie-Teilchenexperimente durchführt, um Teilchen zu entdecken, die Lücken in unserem Verständnis des Universums schließen könnten. Auch die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN), das weltweit größte Teilchenphysiklabor, sucht nach fehlenden Dunkle-Materie-Teilchen. NASA, Dunkle Energie, Dunkle Materie, https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy, CERN, Dunkle Materie, https://home.cern/science/physics/dark-matter
Dunkle Materie macht etwa 80% der Masse des Universums aus. MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Die Antigravitationskraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt, scheint gleichmäßig über Raum und Zeit verteilt zu sein.
Laut dem Forschungsteam ermöglichen die Ergebnisse auch eine genauere Bestimmung des Anteils der Dunklen Energie an Energie und Materie im Universum. Die Studie des Teams wurde im April 2023 in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
Zu ihren Schlussfolgerungen gelangten sie nach der Analyse von Beobachtungen von Galaxienhaufen, die mit dem Röntgenteleskop eROSITA gemacht wurden. Dieses scannt den gesamten Himmel über der Erde auf der Suche nach erkennbaren Galaxienhaufen ab. eROSITA ist auf Spektr-RG montiert, einem russisch-deutschen Weltraumteleskop, das 2019 in die Erdumlaufbahn gebracht wurde.
Galaxienhaufen sind für das Verständnis der Dunklen Energie von Nutzen, da diese seltsame, abstoßende „Antigravitationskraft“ im großen Maßstab die Bildung gigantischer kosmischer Strukturen unterdrücken sollte. Das bedeutet, dass die Dunkle Energie bestimmt, wie und wo Galaxienhaufen, die größten Objekte im Universum, entstehen können.
Die eROSITA Equatorial Final Depth Survey (eFEDS) entdeckte rund 500 Galaxienhaufen, eine der größten bisher entdeckten Stichproben von Galaxienhaufen mit geringer Masse. Die beobachteten Haufen umfassen etwa die letzten 10 Milliarden Jahre der Entwicklung des 13,8 Milliarden Jahre alten Universums.
Röntgen- (oben) und optische Falschfarbenbilder (unten) von drei massearmen Galaxienhaufen, die vom eROSITA-Teleskop untersucht wurden. Der Haufen mit der höchsten Rotverschiebung stammt aus einer Zeit, als das Universum etwa 10 Milliarden Jahre jünger war als heute. In diesem Fall sind die Haufengalaxien deutlich röter als die Galaxien in den beiden anderen Haufen. eROSITA
Das Forschungsteam kombinierte eROSITA-Beobachtungen mit optischen Daten, die während der strategischen Hyper Suprime-Cam-Mission von Subaru gewonnen wurden. Dies ermöglichte die erste kosmologische Studie mit von eROSITA entdeckten Galaxienhaufen.
Die Ergebnisse der Studie wurden mit theoretischen Vorhersagen verglichen und bestätigten, dass die Dunkle Energie etwa 76 % der gesamten Energiedichte des Universums ausmacht. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass diese Energiedichte im Raum gleichmäßig und im Zeitverlauf konstant ist.
Die Ergebnisse des Teams stehen im Einklang mit denen anderer unabhängiger Ansätze zur Erforschung der Dunklen Energie, beispielsweise früheren Untersuchungen von Galaxienhaufen und Forschungen zum Einfluss der Schwerkraft auf Licht, bekannt als schwache Gravitationslinsen. Obwohl diese neuen Entdeckungen mehr Licht auf die Dunkle Energie werfen, bleibt diese Kraft ein Rätsel, das Physiker unbedingt lösen wollen.
In den 1920er Jahren beobachtete der amerikanische Astronom Edwin Hubble weit entfernte Galaxien und stellte fest, dass sie sich von uns entfernen. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich. Dies führte Wissenschaftler zu der Erkenntnis, dass sich das Universum ausdehnt.
Dies war schockierend genug, um die damals vorherrschende Vorstellung von einem stabilen Zustand des Universums in Frage zu stellen. Noch merkwürdiger wurde die Situation im Jahr 1998, als Beobachtungen entfernter Supernovas zeigten, dass sich das Universum nicht nur ausdehnte, sondern auch beschleunigte.
Um diese Beschleunigung zu erklären, benötigen die Wissenschaftler eine Quelle, und sie nennen diese Quelle „Dunkle Energie“, die eine Art „Antigravitation“ bereitstellt, um die kosmische Expansion zu beschleunigen.
Obwohl man weiß, was dunkle Energie bewirkt, und berechnen kann, dass sie etwa 76 % der Energie und Materie im Universum ausmacht, wissen die Wissenschaftler immer noch nicht, was sie eigentlich ist oder warum sie in ihren späteren Epochen begann, das Universum zu beeinflussen.
