Das Team des Fermi-Weltraumteleskops hat dunkle Galaxien am Himmel gefunden, ohne Sterne, aber mit schwelender dunkler Materie. Die Entdecker glauben noch nicht an den Fund und es ist unmöglich, ihre Ergebnisse unabhängig zu überprüfen - Wissenschaftler geben nicht bekannt, wo sich die Kandidaten befinden
Neben dem großen Konflikt zweier Kulturen - "Physiker und Texter", den der Brite Charles Snow vor genau 50 Jahren in Umlauf gebracht hat - gibt es seit Jahrhunderten auch einen kleinen Konflikt, der ausschließlich "Physiker" betrifft. Es ist ein Konflikt zwischen Theorie und Experiment, bei dem erstere normalerweise die Rolle rücksichtsloser Liberaler und letztere als verantwortungsbewusste Konservative spielen.
In den letzten Jahren in der Astrophysik hat sich dieser Konflikt nirgends so deutlich manifestiert wie in der Geschichte der Teilchen der dunklen Materie, deren Umwandlung in die Substanz, an die wir gewöhnt sind, einige Wissenschaftler sehen, während andere dies nicht tun. Beide Überzeugungen basieren auf denselben Daten.
Paparazzi und PAMELA
Zerfall und Vernichtung
Zerfall wird als spontaner Zerfall von Partikeln bezeichnet, wie der Zerfall eines Urankerns oder eines Neutrons, das einen Atomkern verlässt. Vernichtung ist die gegenseitige Zerstörung von Teilchen, wenn sie sich begegnen, beispielsweise die Vernichtung eines Elektrons und eines Positrons sowie im Allgemeinen von Materie und Antimaterie.
Die Zerfallsrate hängt nur von der Anzahl der instabilen Partikel ab, und das Vernichtungssignal bestimmt die Häufigkeit von Partikelkollisionen miteinander. Daher ist die Abklingrate proportional zur Dichte und die Vernichtungsrate proportional zum Quadrat dieser Größe. Auf diese Weise hoffen Astronomen, in Beobachtungsdaten die Vernichtung vom Zerfall unterscheiden zu können.
Die größte Spannung der Leidenschaft erreichte Mitte 2008, als das internationale wissenschaftliche Experiment PAMELA an Bord des russischen Satelliten Resurs-DK einen Überschuss an hochenergetischen Positronen in der Nähe der Sonne entdeckte. Sie könnten während des spontanen Zerfalls oder der gegenseitigen Vernichtung exotischer Teilchen geboren worden sein, aus denen dunkle Materie bestehen soll.
Natürlich sind auch andere Erklärungen möglich, aber die Aussicht, unsichtbare Materie zu "sehen", war so attraktiv, dass viele junge Theoretiker alles daran setzten, um unveröffentlichte PAMELA-Daten zu erhalten, über die im astrophysikalischen Umfeld Gerüchte kursierten. Einige fotografierten sogar unveröffentlichte PAMELA-Karten auf Mobiltelefonen während der Berichte der Projektteilnehmer auf Konferenzen und schrieben auf der Grundlage dieser Daten theoretische Artikel. Solche mutigen Seelen, die gegen die ungeschriebenen ethischen Regeln der wissenschaftlichen Gemeinschaft verstoßen, wurden sogar als "wissenschaftliche Paparazzi" bezeichnet.
Infolgedessen wurden die PAMELA-Daten zwar offiziell veröffentlicht, haben aber immer noch keine eindeutige Interpretation. Jemand glaubt, dass dies Spuren dunkler Teilchen sind, jemand macht Neutronensterne in der Nähe der Sonne für ihr Aussehen verantwortlich, jemand glaubt im Allgemeinen, dass es sich um unerklärliche systematische Fehler beim Betrieb der PAMELA-Ausrüstung handelt.
Nebel, Nebel
Viele hofften, dass die Situation durch den Start des Fermi Space Observatory geklärt werden würde, das Photonen mit sehr hohen Energien detektiert. Sie können durchaus durch Wechselwirkung von gewöhnlichem Licht mit hochenergetischen geladenen Teilchen erzeugt werden (dies ist die sogenannte Compton-Rückstreuung). Und so hofften die Wissenschaftler, die Situation mit den PAMELA-Daten zu klären.
WMAP-Dunst WMAP hat
einen Überschuss an Mikrowellenstrahlung aus dem Zentrum der Galaxie festgestellt - den sogenannten "WMAP-Dunst", der in den Daten verbleibt, nachdem alle bekannten Mikrowellenquellen von diesen abgezogen wurden. Eine der wahrscheinlichsten Erklärungen dafür ist die Synchrotronstrahlung energetischer Elektronen, die auf der Induktionslinie interstellarer Magnetfelder landen. Genau auf den gleichen Elektronen können mit Hilfe des inversen Compton-Effekts hochenergetische Photonen erzeugt werden, die Fermi sehen kann.
Wenn Teilchen dunkler Materie wirklich zur Quelle energetischer Positronen und Elektronen werden, sollten sie häufiger genau dort geboren werden, wo mehr dunkle Materie vorhanden ist. Nach modernen Konzepten gelten solche Orte als Zentren von Galaxien. Die Astronomen freuten sich darauf, Fermi in Richtung des Herzens unserer eigenen Milchstraße zu sehen. Darüber hinaus erhielten Astronomen hier vor einigen Jahren vom WMAP-Raumschiff einen Hinweis auf eine große Anzahl von Elektronen.
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Fermi trat im Juni 2008 in die Umlaufbahn ein und begann einige Monate später, wissenschaftliche Daten zu sammeln. Nach den Regeln der Gruppe erscheinen die Daten des Teleskops nur ein Jahr nach ihrem Empfang im öffentlichen Raum, damit "ihre" Theoretiker die wichtigsten wissenschaftlichen Erkenntnisse von ihnen abschöpfen können. Das Jahr lief im Frühherbst zu Ende, aber eine Gruppe von Theoretikern wartete nicht und wiederholte die Geschichte fast mit den "wissenschaftlichen Paparazzi". Laut einem Artikel, der im Juli erschien, sieht Fermi einen Strahlungsüberschuss in Richtung des galaktischen Zentrums. Darüber hinaus hat eine vorläufige Analyse gezeigt, dass diese Strahlung auf genau denselben Partikeln erzeugt werden kann, die das PAMELA-Projekt gefangen hat.
Als Fermis Daten dennoch veröffentlicht wurden, wiederholten die Wissenschaftler ihre Analyse und stellten sicherer fest: Neben dem "WMAP-Dunst" gibt es auch einen "Fermi-Dunst", in den die Theorie des Zerfalls oder der Vernichtung der Dunklen Materie gut passt. Diese Arbeit unter der Leitung von Gregory Dobler vom Harvard Center for Astrophysics schämt sich nicht mehr, sich auch auf ernsthafte Wissenschaftler zu beziehen, obwohl sich ihre Ergebnisse nicht allzu sehr von den Schlussfolgerungen aus früheren Arbeiten derselben Gruppe unterscheiden.
Herr Nein
Es gibt jedoch eine wichtige Einschränkung. Selbst wenn im Bereich des galaktischen Zentrums eine große Anzahl energiereicher Elektronen und Positronen existiert (und diesbezüglich immer weniger Zweifel bestehen), muss ihre Herkunft aus Partikeln der dunklen Materie noch nachgewiesen werden. Im Prinzip können sie andere Quellen haben - zum Beispiel Stoßwellen von Supernova-Explosionen oder dieselben Neutronensterne, die am Ort solcher Explosionen verbleiben. Das Zentrum der Galaxie sollte voller beidem sein - einfach weil es so viele Sterne gibt, von denen einige früher oder später explodieren. Und obwohl die alternativen Modelle ziemlich „weit hergeholt“sein sollten, ist sie für viele immer noch eine akzeptablere Erklärung als irgendeine Art von dunkler Materie.
"Dobler und Company sind auf dünnes Eis getreten", warnte Elliot Bloom, einer der wenigen reinen Theoretiker im Fermi-Experimentierteam, nachdem ihr Artikel veröffentlicht worden war. In seinem Herzen muss dieser Mensch wahrscheinlich mit sich selbst kämpfen - ein Theoretiker, der sein halbes Leben der Aussicht auf eine indirekte Erklärung der Natur der Dunklen Materie gewidmet hat. Kürzlich wurde er "Mr. No" der Fermi-Zusammenarbeit. Er ist es, der am häufigsten Arbeiten wie Doblers Artikel kommentieren und Kollegen und Journalisten davon überzeugen muss, dass die Schlussfolgerungen der "Emporkömmlinge" zumindest verfrüht sind.
Ironischerweise ist es Blooms Arbeit (pdf-Datei), die im Auftrag der Zusammenarbeit in Form eines Posters auf dem Fermi 2009-Symposium in Washington präsentiert wird, dass eine weitere Episode in der Geschichte der beobachtenden Erkennung dunkler Materie beginnen kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit machten auf die berühmte Brutstätte der physischen Gerüchte aufmerksam - den Blog Resonaances, der vom polnischen Physiker Adam Falkowski von der American Rutgers University gepflegt wird.
Dunkle Galaxien
Das Substrukturproblem Die
Diskrepanz zwischen der vorhergesagten Theorie und der tatsächlichen Anzahl von Zwergsatelliten in der Milchstraße und anderen Galaxien wird als Substrukturproblem bezeichnet. Die Standardlösung besteht darin, dass sich um uns herum Zwerggalaxien befinden, in denen sich jedoch keine Sterne bilden.
Jüngste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass eine solche Erklärung tatsächlich funktionieren könnte: Der kleinste der kürzlich entdeckten Satelliten unserer Galaxie besteht tatsächlich nur aus wenigen hundert Sternen. Aber ihre Masse (sie kann durch die Bewegung der Sterne geschätzt werden) ist viel größer. Es wird angenommen, dass das meiste davon in dunkler Materie enthalten ist.
Bloom argumentierte zu Recht: Um eine Alternative mit der Beschleunigung von Elektronen auf Stoßwellen auszuschließen, muss man schauen, wo Supernovae nicht explodieren. Idealerweise - wo es überhaupt keine Sterne gibt und dunkle Materie sein sollte. Nach der Theorie sollten solche sternenlosen Halos aus dunkler Materie tatsächlich unsere Galaxie umgeben - die Theorie sagt ein Dutzend oder zweimal mehr Zwerggalaxien voraus, als tatsächlich beobachtet wird.
Um herauszufinden, was die Sterne nicht beleuchten, mussten Bloom und sein Kollege Pin Wan das gesamte Fermi-Datenarchiv durchsuchen, um nach erweiterten Objekten zu suchen, deren Gammastrahlung dem Modell des Zerfalls oder der Vernichtung von Partikeln der dunklen Materie entspricht. Darüber hinaus sollten solche Objekte nicht mit bekannten Quellen zusammenfallen, und der Photonenfluss von ihnen sollte sich im Laufe der Zeit nicht ändern.
Bloom und Wang fanden 54 erweiterte Quellen, die mindestens vier Standardabweichungen über dem Hintergrund hervorhoben. Nachdem die Wissenschaftler nacheinander untersucht worden waren, lehnten sie 50 potenzielle "sternenlose Galaxien" als nicht den gewählten Kriterien entsprechend ab. Es sind noch vier übrig, die die Kriterien erfüllen. Über dem Hintergrund zeichnen sich alle nicht einmal durch vier, sondern durch mindestens fünf Standardabweichungen aus.
Trotzdem setzte Bloom erneut die "Mr. No" -Maske auf und kam zu dem Schluss, dass in den ersten zehn Monaten in den Fermi-Daten keine neuen dunklen Zwerge entdeckt worden waren. Das Hauptargument des Wissenschaftlers ist die Diskrepanz zwischen den Spektren dieser Quellen und den gewählten theoretischen Modellen des Zerfalls der Dunklen Materie.
Subtile Frage
Aber das ist lächerlich, glaubt Falkovsky, - geben Sie einem normalen Theoretiker fast jedes Spektrum in die Hand, und er wird in 15 Minuten ein Modell für Sie entwickeln, das dieses Spektrum beschreibt. Ungefähr 15 Minuten sind natürlich eine künstlerische Übertreibung, aber die bisherigen Modelle des Verfalls und der Vernichtung bieten tatsächlich einen sehr weiten Raum für theoretische Manöver.
Vielleicht gibt Bloom deshalb keine Spektren. Er gibt in seiner Arbeit nicht die Koordinaten der Kandidaten oder andere Daten über sie an.
Das alles ist sehr faszinierend, glaubt Falkovsky. Bloom sagt nicht, dass es keine dunklen Galaxien gibt, er behauptet nur, dass "sie in den ersten zehn Monaten nicht in Fermis Daten gefunden wurden". Niemand weiß, was mit den Daten für die nächsten Jahre passieren wird. Klar ist, dass Bloom als Mitglied der Fermi-Zusammenarbeit vor allen anderen Zugang zu ihnen hat.
