Was ist los?

Wir sind von Materie umgeben. In der Tat sind wir wichtig. Alles, was wir im Universum entdecken, ist auch Materie. Es ist so grundlegend, dass wir einfach akzeptieren, dass alles aus Materie besteht. Es ist der grundlegende Baustein von allem: das Leben auf der Erde, der Planet, auf dem wir leben, die Sterne und Galaxien. Es ist in der Regel definiert als alles, was Masse hat und ein Raumvolumen einnimmt.

Die Bausteine ​​der Materie heißen "Atome" und "Moleküle". Sie sind auch Materie. Die Materie, die wir normalerweise erkennen können, wird als "baryonische" Materie bezeichnet. Es gibt jedoch eine andere Art von Materie, die nicht direkt erkannt werden kann. Aber sein Einfluss kann. Es heißt dunkle Materie. 

Normale Angelegenheit

Es ist einfach, normale Materie oder "baryonische Materie" zu studieren. Es kann in subatomare Teilchen zerlegt werden, die Leptonen (zum Beispiel Elektronen) und Quarks (die Bausteine ​​von Protonen und Neutronen) genannt werden. Dies sind die Atome und Moleküle, aus denen alles besteht, vom Menschen bis zum Stern.

Computerillustration eines Atommodells, das Atome, Protonen, Neutronen und Elektronen enthält. Dies sind die Bausteine ​​der normalen Materie. Wissenschaftsfotobibliothek / Getty Images

Normale Materie ist leuchtend, das heißt, sie interagiert elektromagnetisch und gravitativ mit anderer Materie und mit Strahlung. Es muss nicht unbedingt so scheinen, als würden wir an einen leuchtenden Stern denken. Es kann andere Strahlung abgeben (wie Infrarot).

Ein weiterer Aspekt, der bei der Diskussion der Materie auftaucht, ist die sogenannte Antimaterie. Betrachten Sie es als das Gegenteil von normaler Materie (oder vielleicht als Spiegelbild) davon. Wir hören oft davon, wenn Wissenschaftler über Materie / Antimaterie-Reaktionen als Energiequellen sprechen. Die Grundidee hinter Antimaterie ist, dass alle Teilchen ein Antiteilchen haben, das die gleiche Masse hat, aber Spin und Ladung entgegengesetzt ist. Wenn Materie und Antimaterie kollidieren, vernichten sie sich gegenseitig und erzeugen reine Energie in Form von Gammastrahlen. Diese Energieerzeugung würde, wenn sie genutzt werden könnte, jeder Zivilisation enorme Macht bringen, die herausfinden könnte, wie man es sicher macht.

Dunkle Materie

Dunkle Materie ist im Gegensatz zu normaler Materie nicht leuchtendes Material. Das heißt, es interagiert nicht elektromagnetisch und erscheint daher dunkel (d. H. Es wird kein Licht reflektieren oder abgeben). Die genaue Natur der Dunklen Materie ist nicht gut bekannt, obwohl Astronomen wie Dr. Vera Rubin und andere die Wirkung auf andere Massen (wie Galaxien) festgestellt haben. Das Vorhandensein kann jedoch anhand der Schwerkraft festgestellt werden, die es auf normale Materie ausübt. Beispielsweise kann seine Anwesenheit die Bewegungen von Sternen in einer Galaxie einschränken.

Dunkle Materie im Universum. Könnte es aus WIMPs bestehen? Dieses Hyper-Suprime-Cam-Bild zeigt einen kleinen Ausschnitt (14 Bogenminuten mal 9,5 Bogenminuten) von Galaxienhaufen mit den Umrissen einer Dunklen-Materie-Konzentration und einem Teil eines anderen, der mit Konturlinien gezeichnet ist. Subaru-Teleskop / Nationales Astronomisches Observatorium Japans

Derzeit gibt es drei grundlegende Möglichkeiten für "Dinge", die dunkle Materie ausmachen:

• Kalte Dunkle Materie (CDM): Es gibt einen Kandidaten, der als schwach wechselwirkendes massives Teilchen (WIMP) bezeichnet wird und die Grundlage für kalte dunkle Materie sein könnte. Wissenschaftler wissen jedoch nicht viel darüber und wissen nicht, wie es zu Beginn der Geschichte des Universums entstanden sein könnte. Andere Möglichkeiten für CDM-Partikel sind Axionen, die jedoch nie nachgewiesen wurden. Schließlich gibt es MACHOs (MAssive Compact Halo Objects), die die gemessene Masse der dunklen Materie erklären könnten. Diese Objekte umfassen Schwarze Löcher, uralte Neutronensterne und Planetenobjekte, die alle nicht (oder fast) leuchtend sind, aber immer noch eine signifikante Menge an Masse enthalten. Diese würden die dunkle Materie bequem erklären, aber es gibt ein Problem. Es müsste eine Menge von ihnen geben (mehr, als angesichts des Alters bestimmter Galaxien zu erwarten wäre) und ihre Verteilung müsste unglaublich gut über das Universum verteilt sein, um die Dunkle Materie zu erklären, die Astronomen "da draußen" gefunden haben. Kalte dunkle Materie bleibt also ein "work in progress".
• Warme dunkle Materie (WDM): Es wird angenommen, dass dies aus sterilen Neutrinos besteht. Dies sind Teilchen, die normalen Neutrinos ähneln, mit der Ausnahme, dass sie viel massiver sind und nicht über die schwache Kraft interagieren. Ein weiterer Kandidat für WDM ist das Gravitino. Dies ist ein theoretisches Teilchen, das existieren würde, wenn die Theorie der Supergravitation - eine Mischung aus allgemeiner Relativitätstheorie und Supersymmetrie - an Zugkraft gewinnen würde. WDM ist auch ein attraktiver Kandidat für die Erklärung der Dunklen Materie, aber die Existenz von entweder sterilen Neutrinos oder Gravitinos ist bestenfalls spekulativ.
• Heiße dunkle Materie (HDM): Die als heiße dunkle Materie betrachteten Partikel sind bereits vorhanden. Sie heißen "Neutrinos". Sie bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und "verklumpen" nicht so, wie wir es mit Dunkler Materie tun würden. Angesichts der Tatsache, dass das Neutrino nahezu massenlos ist, würde eine unglaubliche Menge von ihnen benötigt, um die Menge der Dunklen Materie auszugleichen, die bekanntermaßen existiert. Eine Erklärung ist, dass es einen noch unentdeckten Typ oder Geschmack von Neutrino gibt, der denen ähnelt, von denen bereits bekannt ist, dass sie existieren. Es hätte jedoch eine wesentlich größere Masse (und damit möglicherweise eine langsamere Geschwindigkeit). Dies würde aber wahrscheinlich eher der warmen dunklen Materie ähneln.

Die Verbindung zwischen Materie und Strahlung

Materie existiert nicht ohne Einfluss im Universum und es gibt eine merkwürdige Verbindung zwischen Strahlung und Materie. Dieser Zusammenhang wurde erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts gut verstanden. Zu diesem Zeitpunkt begann Albert Einstein über den Zusammenhang zwischen Materie und Energie und Strahlung nachzudenken. Das hat er sich ausgedacht: Nach seiner Relativitätstheorie sind Masse und Energie gleichwertig. Wenn genügend Strahlung (Licht) mit anderen Photonen (ein anderes Wort für "Lichtteilchen") mit ausreichend hoher Energie kollidiert, kann Masse erzeugt werden. Diesen Prozess untersuchen Wissenschaftler in riesigen Labors mit Partikelcollidern. Ihre Arbeit greift tief in das Herz der Materie ein und sucht nach den kleinsten Partikeln, von denen bekannt ist, dass sie existieren.

Während Strahlung nicht explizit als Materie betrachtet wird (sie hat keine Masse oder nimmt kein Volumen ein, zumindest nicht in einer genau definierten Weise), ist sie mit Materie verbunden. Dies liegt daran, dass Strahlung Materie erzeugt und Materie Strahlung erzeugt (wie wenn Materie und Antimaterie kollidieren)..

Dunkle Energie

Um die Materie-Strahlungs-Verbindung noch weiter zu vertiefen, schlagen die Theoretiker vor, dass es in unserem Universum eine mysteriöse Strahlung gibt. Es heißt dunkle Energie. Ihre Natur wird überhaupt nicht verstanden. Wenn wir die dunkle Materie verstehen, werden wir vielleicht auch die Natur der dunklen Energie verstehen.

Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.