Der größte Teil des Universums besteht aus „Materie“, die nicht gesehen werden kann, möglicherweise immateriell ist und nur durch die Schwerkraft mit anderen Dingen interagiert. Oh ja, und Physiker wissen nicht, was diese Angelegenheit ist oder warum es so viel davon im Universum gibt - ungefähr vier Fünftel seiner Masse.
Wissenschaftler nennen es dunkle Materie.
Wo also ist diese mysteriöse Materie, die einen so großen Teil unseres Universums ausmacht, und wann werden Wissenschaftler sie entdecken?
Woher wissen wir, dass diese Angelegenheit existiert?
Die Hypothese der Dunklen Materie wurde erstmals in den 1930er Jahren vom Schweizer Astronomen Fritz Zwicky aufgestellt, als er feststellte, dass seine Messungen der Massen von Galaxienhaufen zeigten, dass ein Teil der Masse im Universum „fehlt“. Was auch immer Galaxien schwerer macht, es emittiert kein Licht und interagiert auch nicht mit etwas anderem als durch die Schwerkraft.
Die Astronomin Vera Rubin entdeckte in den 1970er Jahren, dass die Rotation von Galaxien nicht dem Newtonschen Bewegungsgesetz folgt. Sterne in Galaxien (insbesondere Andromeda) schienen sich mit der gleichen Geschwindigkeit um das Zentrum zu drehen, aber diejenigen, die weiter vom Stern entfernt sind, bewegen sich langsamer. Als ob etwas dem äußeren Teil der Galaxie Masse hinzufügt, die niemand sehen könnte.
Der Rest der Beweise stammt von Gravitationslinsen, die auftreten, wenn die Schwerkraft eines großen Objekts Lichtwellen um ein Objekt biegt. Nach Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie biegt die Schwerkraft den Raum (wie ein Sumo-Wrestler eine Matte verformen kann, auf der er steht), so dass sich Lichtstrahlen um große Objekte biegen, obwohl das Licht selbst masselos ist. Beobachtungen zeigten, dass es nicht genügend sichtbare Masse gab, um das Licht zu biegen, wie dies um einzelne Galaxienhaufen herum der Fall war - mit anderen Worten, die Galaxien waren massereicher als sie sein sollten.
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Dann gibt es die Reliktstrahlung (CMB), das „Echo“des Urknalls und der Supernovae. "Das CMB sagt uns, dass das Universum räumlich flach ist", sagte Jason Kumar, Professor für Physik an der Universität von Hawaii. "Räumlich flach" bedeutet, dass zwei Linien, die durch das Universum gezogen werden, sich niemals kreuzen, selbst wenn die Linien einen Durchmesser von Milliarden Lichtjahren haben. In einem steil gekrümmten Universum treffen sich diese Linien irgendwann im Raum.
Unter Kosmologen und Astronomen gibt es jetzt eine kleine Kontroverse darüber, ob dunkle Materie existiert. Es beeinflusst das Licht nicht und ist nicht wie Elektronen oder Protonen geladen. Bisher ist es der direkten Erkennung entgangen.
"Das ist ein Rätsel", sagte Kumar. Es kann Möglichkeiten geben, wie Wissenschaftler versucht haben, dunkle Materie zu "sehen" - entweder durch ihre Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie oder durch die Suche nach Partikeln, die dunkle Materie sein könnten.
Was dunkle Materie nicht ist
Viele Theorien sind gekommen und gegangen, was dunkle Materie ist. Eine der ersten war ziemlich logisch: Die Frage war in massiven astrophysikalischen kompakten Halo-Objekten (MACHOs) wie Neutronensternen, Schwarzen Löchern, Braunen Zwergen und Schurkenplaneten verborgen. Sie emittieren kein Licht (oder sie emittieren sehr wenig), so dass sie für Teleskope praktisch unsichtbar sind.
Die Erforschung von Galaxien, die nach kleinen Verzerrungen im Sternenlicht suchen, die von MACHO erzeugt werden - Mikrolinsen genannt -, konnte jedoch nicht die Menge an dunkler Materie um Galaxien oder sogar einen Großteil davon erklären. "MACHOs scheinen nach wie vor ausgeschlossen zu sein", sagte Dan Hooper, Associate Researcher am Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois.
Dunkle Materie scheint keine Gaswolke zu sein, die durch Teleskope nicht gesehen werden kann. Diffuses Gas absorbiert Licht von weiter entfernten Galaxien und emittiert oben auf diesem normalen Gas Strahlung mit langen Wellenlängen wieder - es wird eine enorme Emission von Infrarotlicht am Himmel geben. Da dies nicht geschieht, können wir dies ausschließen.
Was könnte es sein
Schwach wechselwirkende massive Partikel (WIMPs) sind einige der stärksten Kandidaten für die Erklärung der Dunklen Materie. Weicheier sind schwere Teilchen - etwa 10 bis 100 Mal schwerer als das Proton, das während des Urknalls erzeugt wurde und heute in geringer Anzahl vorhanden ist. Diese Teilchen interagieren mit normaler Materie durch Schwerkraft und schwache Kernkräfte. Die massereicheren WIMPs bewegen sich langsamer durch den Weltraum und können daher Kandidaten für „kalte“dunkle Materie sein, während sich die helleren schneller bewegen und Kandidaten für „warme“dunkle Materie sind.
Eine Möglichkeit, sie zu finden, ist die „direkte Erkennung“wie das Large Underground Xenon (LUX) -Experiment, bei dem es sich um einen Behälter mit flüssigem Xenon in einer Mine in South Dakota handelt.
Eine andere Möglichkeit, Weicheier zu sehen, könnte ein Teilchenbeschleuniger sein. In Beschleunigern werden Atomkerne mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit gebrochen, und dabei wird diese Kollisionsenergie in andere Teilchen umgewandelt, von denen einige für die Wissenschaft neu sind. Bisher wurde in Teilchenbeschleunigern nichts gefunden, was wie mutmaßliche dunkle Materie aussieht.
Eine andere Möglichkeit: Axionen. Diese subatomaren Teilchen könnten indirekt durch die Art der Strahlung erfasst werden, die sie emittieren, wie sie zerstören oder wie sie in andere Arten von Teilchen zerfallen oder in Teilchenbeschleunigern auftreten. Es gibt jedoch auch keine direkten Hinweise auf Axionen.
Da die Entdeckung schwerer, langsamer „kalter“Partikel wie Weicheier oder Axionen noch keine Ergebnisse gebracht hat, prüfen einige Wissenschaftler die Möglichkeit leichter, sich schneller bewegender Partikel, die „warme“dunkle Materie verursachen. Das Interesse an einem solchen Modell der Dunklen Materie hat erneut zugenommen, nachdem Wissenschaftler mithilfe des Chandra-Röntgenobservatoriums im Perseus-Cluster, einer Gruppe von Galaxien etwa 250 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, Hinweise auf ein unbekanntes Teilchen gefunden hatten. Die bekannten Ionen in diesem Cluster erzeugen bestimmte Linien der Röntgenemission, und 2014 sahen Wissenschaftler eine neue „Linie“, die einem unbekannten Lichtteilchen entsprechen könnte.
Wenn Teilchen der Dunklen Materie hell sind, fällt es Wissenschaftlern schwer, sie direkt zu finden, sagte Tracey Slater, Physikerin am MIT. Sie schlug neue Arten von Partikeln vor, aus denen dunkle Materie bestehen kann.
"Dunkle Materie mit einer Masse unter etwa 1 GeV ist mit Standard-Direktdetektionsexperimenten sehr schwer zu erkennen, da sie nach ungeklärten Rückstößen von Atomkernen suchen … aber wenn dunkle Materie viel heller als ein Atomkern ist, ist die Rückstoßenergie sehr gering", sagte Tracy Schieferdecker.
Bei der Suche nach dunkler Materie wurde viel geforscht, und wenn die derzeitigen Methoden versagen, werden neue durchgeführt. Die Verwendung von „flüssigem“flüssigem Helium, Halbleitern und sogar das Aufbrechen chemischer Bindungen in Kristallen sind einige der neuen Ideen zum Nachweis dunkler Materie.
