Bei all unserem Verständnis der Gesetze der Physik und des Erfolgs des Standardmodells und der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es eine Reihe von beobachtbaren Phänomenen im Universum, die nicht erklärt werden können. Das Universum ist voller Geheimnisse, von der Sternentstehung bis zu hochenergetischen kosmischen Strahlen. Obwohl wir allmählich Raum für uns entdecken, wissen wir immer noch nicht alles. Zum Beispiel wissen wir, dass dunkle Materie existiert, aber wir wissen nicht, welche Eigenschaften sie hat. Bedeutet dies, dass wir alle unbekannten Effekte den Manifestationen der Dunklen Materie zuschreiben sollten?
Es gibt so viele Geheimnisse über dunkle Materie, wie es Beweise für ihre Existenz gibt. Aber die Dunkle Materie für all die mysteriösen Manifestationen des Raums verantwortlich zu machen, ist nicht nur kurzsichtig, sondern auch falsch. Dies passiert, wenn Wissenschaftlern die guten Ideen ausgehen.
Zwei helle große Galaxien im Zentrum des Koma-Clusters mit einer Größe von jeweils über einer Million Lichtjahren. Die Galaxien am Stadtrand weisen auf die Existenz eines großen Halos dunkler Materie im gesamten Cluster hin.
Dunkle Materie ist überall im Universum. Es wurde erstmals in den 1930er Jahren konsultiert, um die schnelle Bewegung einzelner Galaxien in Galaxienhaufen zu erklären. Dies geschah, weil die gesamte gewöhnliche Materie - Materie aus Protonen, Neutronen und Elektronen - nicht ausreicht, um die Gesamtmenge der Schwerkraft zu erklären. Dazu gehören Sterne, Planeten, Gas, Staub, interstellares und intergalaktisches Plasma, Schwarze Löcher und alles andere, was wir messen können. Die Beweise für die Dunkle Materie sind zahlreich und überzeugend, wie der Physiker Ethan Siegel feststellte.
Dunkle Materie wird benötigt, um zu erklären:
- Rotationseigenschaften einzelner Galaxien, - die Bildung von Galaxien unterschiedlicher Größe, von riesigen elliptischen bis zu - Galaxien von der Größe der Milchstraße und winzigen Zwerggalaxien in unserer Nähe, Werbevideo:
- Wechselwirkungen zwischen Galaxienpaaren, - Eigenschaften von Galaxienhaufen und Galaxienhaufen in großem Maßstab, - Raumnetz, einschließlich seiner filamentösen Struktur, - Spektrum kosmischer Mikrowellenhintergrundschwankungen, - die beobachteten Auswirkungen der Gravitationslinse entfernter Massen, - die beobachtete Trennung zwischen den Auswirkungen der Schwerkraft und dem Vorhandensein gewöhnlicher Materie bei Kollisionen von Galaxienhaufen.
Und auf einer kleinen Skala einzelner Galaxien und auf einer Skala des gesamten Universums wird dunkle Materie benötigt.
Wenn wir all dies in den Kontext der übrigen Kosmologie stellen, glauben wir, dass jede Galaxie, einschließlich unserer eigenen, einen massiven, diffusen Halo aus dunkler Materie enthält, der sie umgibt. Im Gegensatz zu den Sternen, dem Gas und dem Staub in unserer Galaxie, die sich hauptsächlich in der Scheibe befinden, sollte der Halo der dunklen Materie kugelförmig sein, da sich die dunkle Materie im Gegensatz zu gewöhnlicher (atombasierter) Materie nicht "abflacht", wenn Sie sie zusammendrücken … Außerdem sollte dunkle Materie im galaktischen Zentrum dichter sein und sich zehnmal weiter erstrecken als die Sterne der Galaxie. Schließlich sollten sich in jedem Lichthof kleine Klumpen dunkler Materie befinden.
Um den vollständigen Satz der oben aufgeführten und anderer Beobachtungen zu reproduzieren, sollte dunkle Materie keine anderen Eigenschaften als die folgenden haben: Sie sollte eine Masse haben; es muss gravitativ interagieren; es muss sich relativ zur Lichtgeschwindigkeit langsam bewegen; es sollte nicht stark durch andere Kräfte interagieren. Alle. Alle anderen Interaktionen sind stark eingeschränkt, aber nicht ausgeschlossen.
Warum sprechen die Menschen dann, wenn eine astrophysikalische Beobachtung mit einem Überschuss eines gewöhnlichen Teilchens eines bestimmten Typs - Photonen, Positronen, Antiprotonen - durchgeführt wird, zuerst über dunkle Materie?
Anfang dieser Woche veröffentlichte ein Team von Wissenschaftlern, die die Quellen der Gammastrahlung um Pulsare untersuchten, ihre Ergebnisse in Science. In ihrer Arbeit versuchten sie besser zu verstehen, woher der beobachtete Überschuss an Positronen kam. Positronen, Antipoden von Elektronen, werden normalerweise auf verschiedene Arten geboren: wenn gewöhnliche Teilchen auf ausreichend hohe Energien beschleunigt werden, wenn sie mit anderen Materieteilchen kollidieren und wenn Elektronen-Positronen-Paare nach der Einstein-Formel E = mc2 entstehen. Wir erzeugen solche Paare im Verlauf physikalischer Experimente und können die Bildung eines Positron astrophysikalisch beobachten, sowohl direkt bei der Suche nach kosmischen Strahlen als auch indirekt bei der Suche nach der Energiesignatur der Elektron-Positron-Vernichtung.
Diese astrophysikalischen Positronensignaturen treten in der Nähe des galaktischen Zentrums auf und zielen auf Punktquellen wie Mikroquasare und Pulsare ab, die sich in einer mysteriösen Region unserer Galaxie befinden, die als der Große Vernichter bekannt ist, und in einem Teil eines diffusen Hintergrunds, dessen Ursprung unbekannt ist. Eines ist sicher: Wir sehen mehr Positronen als wir erwarten. Und das ist schon lange bekannt. PAMELA hat es gemessen, Fermi hat es gemessen, AMS an Bord der ISS hat es gemessen. In jüngerer Zeit hat das HAWC-Observatorium extrem energiereiche Gammastrahlen auf TeV-Ebene gemessen und gezeigt, dass es sich um stark beschleunigte Partikel handelt, die von Pulsaren mittlerer Ebene stammen. Dies reicht jedoch leider nicht aus, um den beobachteten Überschuss an Positronen zu erklären.
Aus irgendeinem Grund fließt bei jeder Messung des Überschusses an Positronen, bei jeder Beobachtung einer astrophysikalischen Quelle, die dies nicht erklärt, die Erzählung in "Wir können es nicht erklären, also ist die Dunkle Materie schuld". Und das ist schlecht, weil es viele mögliche astrophysikalische Quellen gibt, die nichts Exotisches erfordern, zum Beispiel:
- Sekundärproduktion von Positronen und Gammastrahlen durch andere Partikel, - Mikroquasare oder etwas anderes, das Schwarze Löcher füttert, - sehr junge oder sehr alte Pulsare, Magnetare, - Supernova-Überreste.
Diese Liste ist nicht endgültig, enthält jedoch einige Beispiele dafür, was diesen Überschuss verursachen könnte.
Viele Menschen, die auf diesem Gebiet arbeiten, entscheiden sich für dunkle Materie, weil es ein Durchbruch wäre, wenn dunkle Materie Gammastrahlen und Partikel gewöhnlicher Materie zerstört und erzeugt. Dies wäre ein Traumszenario für Astrophysiker, die nach dunkler Materie suchen. Wunschdenken hat jedoch nie zu größeren Entdeckungen geführt. Und während dunkle Materie am häufigsten als Erklärung für den Positronenüberschuss dargestellt wird, ist sie nicht wahrscheinlicher als die Außerirdischen, die den Stern Tabby erklären.
Nachdem Ethan Siegel Brenda Dingus, Principal Investigator für HAWC, um eine Erklärung gebeten hatte, erhielt sie folgenden Kommentar:
„Es gibt zweifellos andere Quellen für Positronen. Aber Positronen weichen nicht weit von ihren Quellen ab, und es gibt nicht viele Quellen in der Nähe. Die beiden besten Kandidaten wurden von HAWC entdeckt und wir wissen jetzt, wie viele Positronen sie produzieren. Wir wissen auch, wie diese Positronen aus ihren Quellen diffundieren; langsamer als erwartet. Obwohl wir die Quellen von Positronen in der Nähe bestätigt haben, haben wir festgestellt, dass sich Positronen nur sehr langsam von ihrem Ursprungsort entfernen und daher keinen Überschuss an Positronen auf der Erde erzeugen. Indem wir eine Möglichkeit ausschließen, machen wir andere Möglichkeiten wahrscheinlicher. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Positronen aus dunkler Materie stammen MÜSSEN. Wir meinen es nicht so."
Bemerkenswerterweise machen die Positronen in den HAWC-Daten nur 1% der Positronen aus, die in anderen Experimenten gesehen wurden, was auf etwas anderes als den Helden des Tages hinweist. Wenn eine Beobachtung gemacht wird, die im Widerspruch zu unseren traditionellen Vorstellungen steht, wie bei einem Überschuss an astrophysikalischen Positronen, sollte nicht ausgeschlossen werden, dass es sich um dunkle Materie handelt. Es ist jedoch viel wahrscheinlicher, dass andere astrophysikalische Prozesse diese Effekte erklären. Wenn in der Wissenschaft ein Rätsel auftaucht, will jeder eine Revolution, aber meistens bekommen sie etwas Gewöhnliches.
Ilya Khel
