Kalte dunkle Materie

Das Universum besteht aus mindestens zwei Arten von Materie. In erster Linie gibt es das Material, das wir nachweisen können und das Astronomen als "baryonische" Materie bezeichnen. Es wird als "gewöhnliche" Materie angesehen, da sie aus Protonen und Neutronen besteht, die gemessen werden können. Baryonische Materie umfasst Sterne und Galaxien sowie alle darin enthaltenen Objekte.

Es gibt auch "Zeug" im Universum, das mit normalen Beobachtungsmitteln nicht entdeckt werden kann. Es existiert jedoch, weil Astronomen seine Gravitationswirkung auf baryonische Materie messen können. Astronomen nennen dieses Material "Dunkle Materie", weil es dunkel ist. Es reflektiert oder emittiert kein Licht. Diese mysteriöse Form der Materie stellt das Verständnis vieler Dinge über das Universum vor einige große Herausforderungen. Sie reicht bis zu den Anfängen vor 13,7 Milliarden Jahren zurück. 

Die Entdeckung der Dunklen Materie

Vor Jahrzehnten stellten Astronomen fest, dass es nicht genügend Masse im Universum gab, um Dinge wie die Rotation von Sternen in Galaxien und die Bewegungen von Sternhaufen zu erklären. Die Masse beeinflusst die Bewegung eines Objekts durch den Raum, egal ob es sich um eine Galaxie, einen Stern oder einen Planeten handelt. Gemessen an der Art und Weise, wie sich einige Galaxien drehten, schien es, als gäbe es irgendwo mehr Masse. Es wurde nicht erkannt. Es fehlte irgendwie im Masseninventar, das sie unter Verwendung von Sternen und Nebeln zusammenstellten, um einer Galaxie eine bestimmte Masse zuzuweisen. Dr. Vera Rubin und ihr Team beobachteten Galaxien, als sie zum ersten Mal einen Unterschied zwischen den erwarteten Rotationsraten (basierend auf den geschätzten Massen dieser Galaxien) und den tatsächlich beobachteten Raten bemerkten.

Die Forscher begannen genauer herauszufinden, wo die gesamte fehlende Masse geblieben war. Sie waren der Ansicht, dass vielleicht unser Verständnis der Physik, d. H. Der allgemeinen Relativitätstheorie, fehlerhaft war, aber zu viele andere Dinge stimmten nicht. Also beschlossen sie, dass die Masse vielleicht noch da war, aber einfach nicht sichtbar.

Während es immer noch möglich ist, dass wir in unseren Gravitationstheorien etwas Grundlegendes vermissen, war die zweite Option für Physiker schmackhafter. Aus dieser Offenbarung entstand die Idee der Dunklen Materie. Es gibt Beobachtungsnachweise für Galaxien, und Theorien und Modelle deuten auf die Beteiligung der Dunklen Materie zu einem frühen Zeitpunkt in der Entstehung des Universums hin. Astronomen und Kosmologen wissen, dass es da draußen ist, haben aber noch nicht herausgefunden, was es ist.

Kalte Dunkle Materie (CDM)

Also, was könnte dunkle Materie sein? Bisher gibt es nur Theorien und Modelle. Sie können tatsächlich in drei allgemeine Gruppen eingeteilt werden: heiße dunkle Materie (HDM), warme dunkle Materie (WDM) und kalte dunkle Materie (CDM)..

CDM ist seit langem der führende Kandidat für die fehlende Masse im Universum. Einige Forscher bevorzugen immer noch eine Kombinationstheorie, bei der Aspekte aller drei Arten von Dunkler Materie zusammen existieren, um die gesamte fehlende Masse zu bilden.

CDM ist eine Art dunkler Materie, die sich, falls vorhanden, im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit langsam bewegt. Es wird vermutet, dass es von Anfang an im Universum vorhanden war und sehr wahrscheinlich das Wachstum und die Entwicklung von Galaxien beeinflusst hat. sowie die Bildung der ersten Sterne. Astronomen und Physiker halten es für wahrscheinlich, dass ein exotisches Teilchen noch nicht entdeckt wurde. Es hat sehr wahrscheinlich einige sehr spezifische Eigenschaften:

Es müsste keine Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Kraft geben. Dies ist ziemlich offensichtlich, da dunkle Materie dunkel ist. Daher interagiert, reflektiert oder strahlt es keine Art von Energie im elektromagnetischen Spektrum aus. 

Jedes Kandidatenteilchen, aus dem kalte dunkle Materie besteht, muss jedoch berücksichtigen, dass es mit einem Gravitationsfeld interagieren muss. Als Beweis dafür haben Astronomen festgestellt, dass Ansammlungen dunkler Materie in Galaxienhaufen einen gravitativen Einfluss auf das Licht von weiter entfernten Objekten ausüben, die zufällig vorbeiziehen. Dieser sogenannte "Gravitationslinseneffekt" wurde viele Male beobachtet.

Kandidaten für Cold Dark Matter-Objekte

Während keine bekannte Materie alle Kriterien für kalte dunkle Materie erfüllt, wurden mindestens drei Theorien aufgestellt, um CDM zu erklären (falls vorhanden)..

• Schwach wechselwirkende Massenpartikel: Diese Partikel werden auch als WIMPs bezeichnet und erfüllen per Definition alle Anforderungen von CDM. Es wurde jedoch nie gefunden, dass ein solches Teilchen existiert. WIMPs sind zum Sammelbegriff für alle Kandidaten für kalte dunkle Materie geworden, unabhängig davon, warum das Partikel entstehen soll. 
• Axionen: Diese Teilchen besitzen (zumindest geringfügig) die notwendigen Eigenschaften der Dunklen Materie, sind aber aus verschiedenen Gründen wahrscheinlich nicht die Antwort auf die Frage der kalten Dunklen Materie.
• MACHOs: Dies ist eine Abkürzung für Massive kompakte Halo-Objekte, Das sind Objekte wie Schwarze Löcher, uralte Neutronensterne, Braune Zwerge und Planetenobjekte. Diese sind alle nicht leuchtend und massiv. Aufgrund ihrer Größe, sowohl in Bezug auf das Volumen als auch in Bezug auf die Masse, sind sie jedoch relativ leicht zu erkennen, wenn lokalisierte Gravitationswechselwirkungen überwacht werden. Es gibt Probleme mit der MACHO-Hypothese. Beispielsweise ist die beobachtete Bewegung von Galaxien in einer Weise gleichmäßig, die schwer zu erklären wäre, wenn MACHOs die fehlende Masse liefern würden. Darüber hinaus würden Sternhaufen eine sehr gleichmäßige Verteilung solcher Objekte innerhalb ihrer Grenzen erfordern. Das scheint sehr unwahrscheinlich. Auch die schiere Anzahl der MACHOs, die ziemlich groß sein müssten, um die fehlende Masse zu erklären.

Im Moment hat das Geheimnis der dunklen Materie noch keine offensichtliche Lösung. Astronomen entwerfen weiterhin Experimente, um nach diesen schwer fassbaren Partikeln zu suchen. Wenn sie herausfinden, was sie sind und wie sie im gesamten Universum verteilt sind, haben sie ein weiteres Kapitel in unserem Verständnis des Kosmos aufgeschlagen.