Alles, was wir jemals im Universum beobachtet haben, von Materie bis Strahlung, kann in die kleinsten Komponenten zerlegt werden. Alles auf dieser Welt besteht aus Atomen, die aus Nukleonen und Elektronen bestehen, und Nukleonen sind in Quarks und Gluonen unterteilt. Licht besteht auch aus Teilchen: Photonen. Sogar Gravitationswellen bestehen theoretisch aus Gravitonen: Teilchen, die wir eines Tages mit etwas Glück finden und fixieren. Aber was ist mit dunkler Materie? Indirekte Beweise für seine Existenz können nicht geleugnet werden. Aber sollte es auch aus Partikeln bestehen?
Wir sind es gewohnt zu denken, dass dunkle Materie aus Partikeln besteht, und wir versuchen hoffnungslos, sie zu entdecken. Aber was ist, wenn wir am falschen Ort suchen?
Wenn dunkle Energie als Energie interpretiert werden kann, die dem eigentlichen Raumgefüge innewohnt, könnte es dann sein, dass „dunkle Materie“auch eine interne Funktion des Raums selbst ist - eng oder entfernt mit dunkler Energie verbunden? Und dass anstelle von dunkler Materie die Gravitationseffekte, die unsere Beobachtungen erklären könnten, eher auf "dunkle Masse" zurückzuführen sind?
Nun, speziell für Sie hat der Physiker Ethan Siegel unsere theoretischen Ansätze und möglichen Szenarien dargelegt.
Eines der interessantesten Merkmale des Universums ist die Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen dem, was sich im Universum befindet und wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit ändert. Durch viele sorgfältige Messungen vieler unterschiedlicher Quellen - Sterne, Galaxien, Supernovae, der kosmische Mikrowellenhintergrund und die großräumigen Strukturen des Universums - konnten wir beide messen und bestimmen, woraus das Universum besteht. Grundsätzlich gibt es viele verschiedene Vorstellungen darüber, woraus unser Universum bestehen kann, und alle haben unterschiedliche Auswirkungen auf die kosmische Expansion.
Dank der erhaltenen Daten wissen wir jetzt, dass das Universum aus Folgendem besteht:
- 68% Dunkle Energie, die auch bei Raumausdehnung auf einer konstanten Energiedichte bleibt;
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- 27% der dunklen Materie, die eine Gravitationskraft aufweist, verschwimmen mit zunehmendem Volumen und lassen sich nicht mit einer anderen bekannten Kraft messen.
- 4,9% der gewöhnlichen Materie, die alle ihre Kräfte manifestiert, verschwimmt mit zunehmendem Volumen, knotet zu Klumpen und besteht aus Partikeln;
- 0,1% Neutrinos, die gravitative und elektroschwache Wechselwirkungen aufweisen, bestehen aus Partikeln und klopfen nur dann zusammen, wenn sie sich so verlangsamen, dass sie sich wie Materie und nicht wie Strahlung verhalten.
- 0,01% der Photonen, die gravitative und elektromagnetische Einflüsse aufweisen, verhalten sich wie Strahlung und verschwimmen sowohl mit zunehmendem Volumen als auch mit Dehnung der Wellenlängen.
Mit der Zeit werden diese verschiedenen Komponenten relativ mehr oder weniger wichtig, und dieser Prozentsatz repräsentiert, woraus das Universum heute besteht.
Dunkle Energie hat, wie aus unseren besten Messungen hervorgeht, an jedem Punkt im Raum, in allen Raumrichtungen und in allen Episoden unserer kosmischen Geschichte die gleichen Eigenschaften. Mit anderen Worten, dunkle Energie ist sowohl homogen als auch isotrop: Sie ist überall und immer gleich. Soweit wir das beurteilen können, braucht dunkle Energie keine Teilchen. Es kann leicht eine Eigenschaft sein, die dem Raumgefüge innewohnt.
Dunkle Materie ist jedoch grundlegend anders.
Damit sich die Struktur, die wir im Universum sehen, insbesondere im großen kosmischen Maßstab bildet, muss dunkle Materie nicht nur existieren, sondern auch zusammenkommen. Es kann nicht im gesamten Raum die gleiche Dichte haben; Vielmehr sollte es in Regionen mit höherer Dichte konzentriert sein und in Regionen mit niedrigerer Dichte weniger dicht sein oder überhaupt nicht vorhanden sein. Wir können tatsächlich sagen, wie viel der gesamten Materie sich in verschiedenen Regionen des Weltraums befindet, geleitet von Beobachtungen. Die drei wichtigsten sind:
Leistungsspektrum der Materie
Ordnen Sie die Materie im Universum zu, sehen Sie, in welchem Maßstab sie Galaxien entspricht - das heißt, wie wahrscheinlich es ist, dass Sie eine andere Galaxie in einer bestimmten Entfernung von der Galaxie finden, mit der Sie beginnen - und untersuchen Sie das Ergebnis. Wenn das Universum aus einer homogenen Substanz bestehen würde, würde die Struktur verschmiert. Wenn es dunkle Materie im Universum gäbe, die sich nicht früh genug ansammelt, würde die Struktur in kleinem Maßstab zerstört. Das Leistungsspektrum der Energie zeigt, dass ungefähr 85% der Materie im Universum durch dunkle Materie repräsentiert wird, die sich stark von Protonen, Neutronen und Elektronen unterscheidet. Diese dunkle Materie wurde kalt geboren oder ihre kinetische Energie ist vergleichbar mit der Ruhemasse.
Gravitationslinsen
Schauen Sie sich das massive Objekt an. Angenommen, ein Quasar, eine Galaxie oder Galaxienhaufen. Sehen Sie, wie das Hintergrundlicht durch das Vorhandensein eines Objekts verzerrt wird. Da wir die Gravitationsgesetze verstehen, die von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bestimmt werden, können wir durch Biegen des Lichts bestimmen, wie viel Masse in jedem Objekt vorhanden ist. Durch andere Methoden können wir die Menge an Masse bestimmen, die in gewöhnlicher Materie vorhanden ist: Sterne, Gas, Staub, Schwarze Löcher, Plasma usw. Und wieder stellen wir fest, dass 85% der Materie durch dunkle Materie dargestellt wird. Darüber hinaus ist es diffuser und wolkiger verteilt als gewöhnliche Materie. Dies wird durch schwache und starke Linsen bestätigt.
Kosmischer Mikrowellenhintergrund
Wenn Sie sich das verbleibende Leuchten der Urknallstrahlung ansehen, werden Sie feststellen, dass es ungefähr gleichmäßig ist: 2,725 K in alle Richtungen. Bei näherer Betrachtung können Sie jedoch feststellen, dass winzige Defekte auf Skalen von zehn bis Hunderten von Mikrokelvin beobachtet werden. Sie erzählen uns einige wichtige Dinge, einschließlich der Energiedichten von gewöhnlicher Materie, dunkler Materie und dunkler Energie, aber vor allem erzählen sie uns, wie homogen das Universum war, als es nur 0,003% seines gegenwärtigen Alters betrug. Die Antwort ist, dass der dichteste Bereich nur 0,01% dichter war als der am wenigsten dichte Bereich. Mit anderen Worten, dunkle Materie begann in einem homogenen Zustand und verklumpte sich im Laufe der Zeit.
Wenn wir alles zusammenfassen, kommen wir zu dem Schluss, dass sich dunkle Materie wie eine Flüssigkeit verhalten sollte, die das Universum füllt. Diese Flüssigkeit hat einen vernachlässigbaren Druck und eine vernachlässigbare Viskosität, reagiert auf Strahlungsdruck, kollidiert nicht mit Photonen oder gewöhnlicher Materie, wurde kalt und nicht relativistisch geboren und sammelt sich im Laufe der Zeit unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft. Es bestimmt die Bildung von Strukturen im Universum auf den größten Skalen. Es ist sehr heterogen und das Ausmaß seiner Heterogenität nimmt mit der Zeit zu.
Hier ist, was wir dazu in großem Maßstab sagen können, da sie sich auf Beobachtungen beziehen. Auf kleinen Skalen können wir nur annehmen, nicht ganz sicher, dass dunkle Materie aus Partikeln besteht, deren Eigenschaften sie im großen Maßstab so verhalten lassen. Der Grund, warum wir dies annehmen, ist, dass das Universum, soweit wir wissen, im Kern aus Teilchen besteht, das ist alles. Wenn Sie eine Substanz sind, wenn Sie eine Masse haben, ein Quantenanalogon, dann müssen Sie zwangsläufig aus Partikeln auf einem bestimmten Niveau bestehen. Aber bis wir dieses Teilchen gefunden haben, haben wir kein Recht, andere Möglichkeiten auszuschließen: Zum Beispiel, dass dies eine Art Flüssigkeitsfeld ist, das nicht aus Teilchen besteht, sondern die Raumzeit so beeinflusst, wie es Teilchen sollten.
Deshalb ist es so wichtig zu versuchen, dunkle Materie direkt zu erkennen. Es ist unmöglich, den Grundbestandteil der Dunklen Materie in der Theorie zu bestätigen oder zu leugnen, nur in der Praxis, gestützt auf Beobachtungen. Anscheinend hat dunkle Materie nichts mit dunkler Energie zu tun.
Besteht es aus Partikeln? Bis wir sie finden, können wir nur raten. Das Universum manifestiert sich als Quanten in der Natur, wenn es um irgendeine andere Form von Materie geht, daher ist es vernünftig anzunehmen, dass dunkle Materie dieselbe wäre.
Ilya Khel
