Die Begriffe Dunkle Energie und Dunkle Materie sind nicht ganz erfolgreich und stellen eine wörtliche, aber keine semantische Übersetzung aus dem Englischen dar. Im physikalischen Sinne bedeuten diese Begriffe nur, dass diese Substanzen nicht mit Photonen interagieren, und sie könnten genauso gut als unsichtbare oder transparente Materie und Energie bezeichnet werden.
Dunkle Materie in der Astronomie und Kosmologie sowie in der theoretischen Physik ist eine hypothetische Form der Materie, die keine elektromagnetische Strahlung emittiert oder mit dieser interagiert. Diese Eigenschaft dieser Form von Materie macht ihre direkte Beobachtung unmöglich.
Die Schlussfolgerung über die Existenz dunkler Materie wird auf der Grundlage zahlreicher, miteinander übereinstimmender, aber indirekter Anzeichen für das Verhalten astrophysikalischer Objekte und die von ihnen erzeugten Gravitationseffekte gezogen. Die Entdeckung der Natur der Dunklen Materie wird dazu beitragen, das Problem der verborgenen Masse zu lösen, das insbesondere in der ungewöhnlich hohen Rotationsgeschwindigkeit der äußeren Regionen von Galaxien liegt.
Lassen Sie uns mehr darüber erfahren …
Dunkle Materie und dunkle Energie sind für das Auge nicht sichtbar, aber ihre Anwesenheit wurde durch Beobachtungen des Universums bewiesen. Vor Milliarden von Jahren wurde unser Universum nach einem katastrophalen Urknall geboren. Als sich das frühe Universum langsam abkühlte, begann sich darin Leben zu entwickeln. Als Ergebnis wurden Sterne, Galaxien und andere sichtbare Teile davon gebildet. Die Größe unseres Universums ist einfach atemberaubend. Zum Beispiel reicht eine Sonne aus, um eine Million Planeten wie die Erde zu beleuchten und zu erhitzen. In diesem Fall ist die Sonne ein mittelgroßer Stern, und allein unsere Galaxie besteht aus 100 Milliarden Sternen. Diese Anzahl übersteigt die Anzahl der Sandkörner an einem kleinen Strand. Dies ist jedoch nicht alles.
Wie Sie wissen, besteht das Universum aus mehreren Milliarden Galaxien, in denen eine Vielzahl von Materie existiert. Ist es möglich, dass eine dieser Angelegenheiten für das Auge unsichtbar war? Höchstwahrscheinlich, da die Ergebnisse neuerer Studien gezeigt haben, dass wir nur ein Zehntel des Universums sehen können. Dies bedeutet, dass mehr als 90% der Materie selbst mit speziellen Geräten von einer Person einfach nicht untersucht werden können. Astronomen nennen diese Angelegenheit dunkel.
Es ist bekannt, dass dunkle Materie zumindest gravitativ mit "leuchtend" (baryonisch) interagiert und ein Medium mit einer durchschnittlichen kosmologischen Dichte ist, die um ein Vielfaches höher ist als die Dichte von Baryonen. Letztere werden in den Gravitationsgruben der Konzentration dunkler Materie eingefangen. Obwohl dunkle Materieteilchen nicht mit Licht interagieren, wird daher Licht von dort emittiert, wo dunkle Materie vorhanden ist. Diese bemerkenswerte Eigenschaft der Gravitationsinstabilität ermöglichte es, Menge, Zustand und Verteilung der Dunklen Materie anhand von Beobachtungsdaten aus dem Funkbereich bis hin zu Röntgenstrahlen zu untersuchen.
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Eine 2012 veröffentlichte Studie über die Bewegung von mehr als 400 Sternen in Entfernungen von bis zu 13.000 Lichtjahren von der Sonne ergab keine Hinweise auf das Vorhandensein dunkler Materie in einem großen Raumvolumen um die Sonne. Nach den Vorhersagen von Theorien sollte die durchschnittliche Menge an dunkler Materie in der Nähe der Sonne etwa 0,5 kg im Volumen der Erde betragen haben. Messungen ergaben jedoch einen Wert von 0,00 ± 0,06 kg dunkler Materie in diesem Volumen. Dies bedeutet, dass Versuche, dunkle Materie auf der Erde zu registrieren, beispielsweise mit seltenen Wechselwirkungen von Partikeln der dunklen Materie mit "gewöhnlicher" Materie, kaum erfolgreich sein können.
Nach den im März 2013 veröffentlichten Beobachtungen des Planck-Weltraumobservatoriums, die unter Berücksichtigung des kosmologischen Lambda-CDM-Standardmodells interpretiert wurden, beträgt die Gesamtmassenenergie des beobachteten Universums 4,9% der gewöhnlichen (baryonischen) Materie und 26,8% der Dunkelheit Materie und 68,3% aus dunkler Energie. Somit besteht das Universum zu 95,1% aus dunkler Materie und dunkler Energie.
Der Beweis für die Existenz dunkler Materie ist ihre Schwere - die Schwerkraft, die wie Klebstoff die Integrität des Universums bewahrt. Alle Teile des Universums fühlen sich gegenseitig angezogen. Dank dessen konnten Wissenschaftler die Gesamtmasse des sichtbaren Universums sowie Indikatoren für Gravitationskräfte berechnen. Im Verlauf der Berechnungen wurde ein signifikantes Ungleichgewicht in diesen Parametern festgestellt, was Anlass zu der Annahme gab, dass es unsichtbare Materie gibt, die eine bestimmte Masse hat und auch der Schwerkraft ausgesetzt ist.
Die Untersuchung der Dunklen Materie Ein Beweis für die Existenz der Dunklen Materie war ihr Gravitationseinfluss auf andere Objekte, einschließlich der Bewegungsbahn von Sternen und Galaxien. Es wurde festgestellt, dass sich viele Galaxien schneller als erwartet drehen. Nach A. Einsteins Gravitationstheorie sollten sie in verschiedene Richtungen fliegen. Etwas Unsichtbares scheint sie jedoch zusammenzuhalten.
Dunkle Materie kann auch den Weg der Lichtausbreitung beeinflussen. Untersucht wurde das Phänomen der Gravitationslinse, das darin besteht, dass dichte Objekte das Licht entfernter Objekte reflektieren und die Flugbahn der Lichtflüsse verändern können. Dies führt zu Bildverzerrungen und dem Auftreten von Trugbildern von Sternen und Galaxien. Wissenschaftler zeichnen diese Lichtbiegungen auf, können jedoch die Natur dieses Phänomens nicht benennen.
Dunkle Materie in unserem Universum kann in Form von massiven astronomischen Halo-Objekten (MAGOs) existieren. Dazu gehören Planeten, Monde, braune und weiße Zwerge, Staubwolken, Neutronensterne und Schwarze Löcher. In der Regel sind sie zu klein, als dass ihr Licht vom Menschen erfasst werden könnte. Ihre Existenz kann jedoch durch den Gravitationseffekt auf Lichtflüsse berechnet werden. In den letzten Jahren haben Astronomen verschiedene Arten von MAGO-Objekten entdeckt. Sie können sowohl aus gewöhnlichen baryonischen Teilchen als auch aus Axinen, Neutrinen, Wimpilen und supersymmetrischer dunkler Materie bestehen.
Forschung zu dunkler Materie und dunkler Energie
Da das Interesse an dunkler Materie weiter zunimmt, entstehen neue Werkzeuge, um umfassendere Einblicke in dieses mysteriöse Phänomen zu gewinnen. Zum Beispiel hat das Hubble-Weltraumteleskop sehr wertvolle Informationen über die Größe und Masse des sichtbaren Universums geliefert. Diese Daten waren der erste und sehr wichtige Schritt zur Untersuchung der wahren Menge dunkler Materie im Universum.
Es ist wichtig zu verstehen, dass die Struktur des Universums nicht zufällig ist, und mit Hilfe von Hubble können Sie seine Struktur detailliert darstellen. Es ist sicher bekannt, dass sich Galaxien in Clustern befinden und diese Cluster sich in Superclustern befinden. Supercluster kosmischer Körper befinden sich in einer schwammigen Struktur mit ausgedehnten Hohlräumen. Offensichtlich hat die Bildung einer solchen Struktur sehr spezifische Gründe. Röntgenteleskope am Chandra Observatory helfen dabei, die riesigen heißen Gaswolken in diesen Clustern zu untersuchen. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass auch in diesen Bereichen dunkle Materie vorhanden sein muss, da sonst Gas aus dem Cluster entweicht. Darüber hinaus werden derzeit neue Werkzeuge entwickelt, die letztendlich dazu beitragen werden, diese dunkle Seite des Universums zu erkennen.
Ansätze und Methoden zur Untersuchung von Partikeln der Dunklen Materie
Derzeit versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt auf jede erdenkliche Weise, Partikel der dunklen Materie unter terrestrischen Bedingungen zu entdecken oder künstlich zu gewinnen, indem sie speziell entwickelte supertechnologische Geräte und viele verschiedene wissenschaftliche Forschungsmethoden verwenden. Bisher waren jedoch nicht alle Arbeiten von Erfolg gekrönt.
Woraus das Universum besteht
Eine der Methoden beinhaltet die Durchführung von Experimenten mit Hochenergiebeschleunigern, die allgemein als Kollider bekannt sind. Wissenschaftler, die glauben, dass Teilchen der Dunklen Materie 100-1000-mal schwerer als ein Proton sind, gehen davon aus, dass sie erzeugt werden müssen, wenn gewöhnliche Teilchen kollidieren, die von einem Kollider auf hohe Energien beschleunigt werden. Die Essenz einer anderen Methode besteht darin, Partikel der dunklen Materie zu registrieren, die sich überall um uns herum befinden. Die Hauptschwierigkeit bei der Registrierung dieser Partikel besteht darin, dass sie eine sehr schwache Wechselwirkung mit gewöhnlichen Partikeln aufweisen, die für sie von Natur aus transparent sind. Und doch kollidieren Teilchen der Dunklen Materie sehr selten, sondern kollidieren mit Atomkernen, und es besteht eine gewisse Hoffnung, früher oder später dieses Phänomen zu registrieren.
Es gibt andere Ansätze und Methoden zur Untersuchung von Partikeln der dunklen Materie, und welche davon zuerst zum Erfolg führen werden, wird nur die Zeit zeigen, aber auf jeden Fall wird die Entdeckung dieser neuen Partikel eine wichtige wissenschaftliche Errungenschaft sein.
Anti-Schwerkraft-Substanz
Dunkle Energie ist eine noch ungewöhnlichere Substanz als dieselbe dunkle Materie. Es hat nicht die Fähigkeit, sich zu Klumpen zu sammeln, wodurch es absolut gleichmäßig im gesamten Universum verteilt ist. Aber seine derzeit ungewöhnlichste Eigenschaft ist die Antigravitation.
Dank moderner astronomischer Methoden ist es möglich, die Expansionsrate des Universums zum gegenwärtigen Zeitpunkt zu bestimmen und den Prozess seiner Veränderung früher zu simulieren. Infolgedessen wurde die Information erhalten, dass sich unser Universum sowohl im Moment als auch in der jüngeren Vergangenheit ausdehnt, während die Geschwindigkeit dieses Prozesses ständig zunimmt. Aus diesem Grund wurde die Hypothese über die Antigravitation der Dunklen Energie aufgestellt, da die übliche Anziehungskraft der Gravitation den Prozess der "Rezession von Galaxien" verlangsamen und die Expansionsrate des Universums einschränken würde. Dieses Phänomen widerspricht nicht der allgemeinen Relativitätstheorie, aber gleichzeitig muss die Dunkle Energie einen Unterdruck haben - eine Eigenschaft, die keine der derzeit bekannten Substanzen besitzt.
Kandidaten für die Rolle der "Dunklen Energie"
Die Masse der Galaxien im Abel 2744-Cluster beträgt weniger als 5 Prozent der Gesamtmasse. Dieses Gas ist so heiß, dass es nur im Röntgenbereich leuchtet (in diesem Bild rot). Die Verteilung der unsichtbaren dunklen Materie (die etwa 75 Prozent der Masse dieses Clusters ausmacht) ist blau gefärbt.
Einer der vermeintlichen Kandidaten für die Rolle der Dunklen Energie ist das Vakuum, dessen Energiedichte während der Expansion des Universums unverändert bleibt und damit den Unterdruck des Vakuums bestätigt. Ein weiterer mutmaßlicher Kandidat ist "Quintessenz" - ein bisher unerforschtes superschwaches Feld, das angeblich das gesamte Universum durchquert. Es gibt auch andere mögliche Kandidaten, aber keiner von ihnen hat im Moment dazu beigetragen, eine genaue Antwort auf die Frage zu erhalten: Was ist dunkle Energie? Aber es ist bereits klar, dass dunkle Energie etwas völlig Übernatürliches ist und das Hauptgeheimnis der fundamentalen Physik des 21. Jahrhunderts bleibt.