👨🏿‍🔧 🧣 💇🏻 Fragen Sie Ethan Nr. 66: Haben wir dunkle Materie gefunden? 👳 🚴🏿 💆🏿

Auf keinen Fall. Was wir gefunden haben, wenn auch ein Rätsel, aber sicherlich nicht die verlorene Masse unseres Universums

Die Zeit nimmt alles in sich auf, die Zeit trägt die Vergangenheit weiter weg und schließlich bleibt nur die Dunkelheit übrig. Dunkelheit.
- Stephen King

Aber wir haben immer noch nicht das Ende der Zeit, sondern das Ende der Woche. Zeit für eine Antwort auf die nächste Frage in der Spalte „Ask Ethan“, in der ich unter sehr guten Fragen eine Frage von Joe Lathon auswählte, der nach den neuesten Nachrichten fragt:

Ich habe viele Schlagzeilen in physischen Veröffentlichungen gelesen, wie zum Beispiel „Forscher haben ein mögliches Signal aus dunkler Materie entdeckt“. . Könnten Sie mit Ihrer inhärenten Ausdruckskraft den Hintergrund des Problems und das Wesentliche dieser Nachrichten erklären?

Geben wir Joe, was er braucht!

Erstens gibt es das Problem der dunklen Materie. Wenn wir einen galaktischen Cluster untersuchen - wie zum Beispiel den Veronica-Haarcluster auf dem Foto oben - können wir zwei Methoden anwenden, um seine Materie zu messen:

Betrachten Sie das gesamte Spektrum der von ihm ausgehenden elektromagnetischen Signale, einschließlich nicht nur der Sterne, die Licht emittieren, sondern auch des Lichts, das in anderen Teilen des Spektrums emittiert und absorbiert wird. Dies gibt uns Informationen über die Menge an Gas, Staub, Plasma, Neutronensternen, Schwarzen Löchern, Zwergen und sogar Planeten im Inneren.
Verfolgen Sie die Bewegung von Objekten in einem Cluster - in diesem Fall einzelne Galaxien - und verwenden Sie die Kenntnis der Gravitationsgesetze, um deren Gesamtmasse zu berechnen.

Wenn wir die erhaltenen Werte vergleichen, werden wir sehen, ob die gesamte Masse der normalen Materie dazu gehört oder ob es etwas anderes geben sollte, das nicht aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht.

Gleiches gilt für einzelne Galaxien. Schauen Sie sich einfach die verschiedenen Komponenten der Galaxie bei allen Wellenlängen an. Und für Galaxien und für Cluster finden wir eine bestimmte Masse in Form von Sternen, dann etwa das 5- bis 8-fache einer großen Masse in Form eines neutralen Gases, sehr wenig in Form von Plasma (obwohl es im intergalaktischen Raum voll ist) und einen kleinen Bruchteil in Form anderer Arten von Masse kombiniert. Im Durchschnitt gibt es zusätzlich zur Gesamtmasse aller Sterne ungefähr das Achtfache der Masse anderer Komponenten, die aus normaler Materie bestehen.

Wenn wir jedoch die Gesamtmasse aus der Schwerkraft herausnehmen, finden wir etwas Unerwartetes. Um alle beobachteten Gravitationseffekte wie die Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien in unterschiedlichen Abständen in getrennten Spiralen und die Geschwindigkeit einzelner Galaxien relativ zum Zentrum des Clusters zu rechtfertigen, benötigen wir eine Masse, die nicht das Achtfache der Gesamtmasse der Sterne beträgt, sondern fünfzig!

Ein solcher Unterschied sowie die Tatsache, dass wir heute etwa fünfmal mehr Materie in Masse als normale Materie im Universum benötigen, wird als Problem der Dunklen Materie bezeichnet. Eine Vielzahl von Beobachtungen - einschließlich Messungen von Entfernungen und Rotverschiebungen von astronomischen Standardkerzen, Beobachtungen großer Strukturen im Universum im Riesenmaßstab, Beobachtungen von Kollisionen galaktischer Cluster und genaue Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung in der Mikrowelle (Nachglühen des Urknalls) - zeigen, dass das Problem nicht in der Theorie der Schwerkraft liegt und in der Existenz einer neuen Art von Materie, die im Universum fünfmal mehr ist als gewöhnliches Atom.

Und diese neue Form der Materie - dunkle Materie - interagiert unter anderem nicht durch elektromagnetische Kräfte mit Materie und Strahlung.

Es wurde auch festgestellt, dass es sich bei dieser dunklen Materie nicht um gewöhnliche Partikel aus dem Standardmodell handelt. Dies sind keine Quarks, keine Bosonen, nicht einmal Neutrinos. Was auch immer es ist, es muss eine neue Art von Teilchen sein, die noch nicht entdeckt wurde.

Aufgrund der Gravitationseigenschaften, die solche Partikel haben sollten, sollten sie in riesigen Lichthöfen sowohl um Galaxien als auch um Cluster in riesigen verdünnten Sphäroiden gesammelt werden.

In den meisten Modellen der Dunklen Materie wird angenommen, dass ihre Partikel ihre eigenen Antiteilchen sein sollten. Wenn daher die Dichte der dunklen Materie maximal ist (in den Zentren von Galaxien und Clustern), besteht die Möglichkeit ihrer Vernichtung. In diesem Fall emittieren zwei vernichtende Teilchen zwei Photonen, deren Energie (um Energie und Impuls zu sparen) der Restmasse des Teilchens entspricht.

Hört sich toll an, oder? Wir müssen nur Teleskope mit Hochenergiedetektoren, unsere Röntgen- und Gammastrahlenobservatorien, zu den Zentren von Galaxien und Clustern schicken und nach Signalen dieser Vernichtung suchen. Dies bedeutet, nach spektralen Energielinien zu suchen, die nicht bekannten Partikeln entsprechen.

Unsinn, richtig?

Nein, warte eine Minute. Das Problem ist, dass es im Universum viele verschiedene hochenergetische Phänomene gibt, die wir hier auf der Erde nicht verstehen! Warum? Weil wir nicht alle diese seltsamen Phänomene nachbilden können, die im Weltraum auftreten, und wir nicht wissen, was die Ursache für viele (oder sogar die meisten) Hintergründe von Gammastrahlen und Röntgenstrahlen ist, die von uns beobachtet werden.

Mit anderen Worten, es gibt viele Quellen für Röntgen- und Gammastrahlen, die uns bekannt, aber nicht bekannt sind.

Laut Joe wurde in diesem Jahr eine neue Röntgenlinie - eine Quelle in der Größenordnung von 3,5 keV - im Kern der Andromeda-Galaxie und im Kern des Perseus-Clusters entdeckt.

Ist seine Ursache etwas Gewöhnliches, wie Partikel, die sich um ein supermassives Schwarzes Loch beschleunigen?

Oder ist der Grund dafür ein neues Teilchen - zum Beispiel das gleiche sterile Neutrino -, das für die Dunkle Materie verantwortlich ist, sie vernichtet und infolgedessen ihre Ruhemasse zeigt, äquivalent (über E = mc ² ) 3,5 keV? (Oder doppelt so viel, 7 keV, wenn es sich um ein zerfallendes Teilchen handelt).

Die Nachrichten möchten, dass Sie glauben, dass die zweite Option möglich ist - weil es cool wäre, wenn sich herausstellen würde, dass es sich um dunkle Materie handelt? Dieses Signal ist jedoch nicht nur noch nicht tatsächlich bestätigt (die Signifikanz der Detektion beträgt 4σ, selbst für einen kombinierten Datensatz, wenn der Standard für Entdeckungen 5σ beträgt), es kann auch immer noch nicht für dunkle Materie im Universum verantwortlich sein!

Warum? Schauen Sie sich das Bild der dichten und verdünnten Regionen unseres Universums 380.000 Jahre nach dem Urknall an: kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung.

Es ist leicht vorstellbar, dass das Universum zu dieser Zeit dichter und jünger war, aber es ist leicht zu vergessen, dass es auch heißer war. Dies bedeutet nicht nur, dass die Strahlung heiß war, sondern auch, dass sich die Materie darin mit viel höheren Geschwindigkeiten bewegte. Dies gilt nicht nur für normale Materie wie Atome, sondern auch für dunkle Materie.

Warum ist das wichtig? Denn um in Klumpen zu verirren und die Struktur aufgrund des Gravitationskollapses aufrechtzuerhalten, muss sich die Materie langsam genug bewegen, sonst tritt kein Kollaps auf. Und wenn dunkle Materie zu hell ist, wird sich die Struktur nicht früh genug bilden, um Beobachtungen zu treffen!

Was können wir als Einschränkung verwenden? Die besten Messungen stammen von einem Phänomen namens Lyman-Alpha-Wald, das als Maß für das Alter von Gravitationsbohrungen von Gaswolken dient, die schwach gravitativ miteinander verbunden sind. Natürlich verwandeln sich die dichtesten Objekte in Sterne, Galaxien und Quasare - aber Gaswolken greifen in den Prozess ein und absorbieren einen Teil des Lichts mit charakteristischen Frequenzen.

Wenn wir die Tiefe der „Waldlinien“ untersuchen, insbesondere zu Beginn, können wir das Gewicht der dunklen Materie einschränken. Und selbst unter den freiesten Umständen können Sie sehen, dass die Absorptionslinien unglaublich stark sind - sie entsprechen der Tatsache, dass dunkle Materie sehr kalt ist - was bedeutet, dass ihre Masse von unten begrenzt ist.

Und was ist die Bedeutung? Jetzt sollte es schwerer als 10 keV sein, gemessen an der Stärke der beobachteten Absorptionslinien. Mit anderen Worten, es ist dreimal schwerer (oder 50% schwerer im Fall eines zerfallenden Teilchens) als dieses angeblich „Signal der dunklen Materie“!

Verstehen Sie mich nicht falsch, die Entdeckung einer möglicherweise neuen Linie von Röntgenstrahlung ist sehr interessant und kann uns eine neue Astrophysik oder möglicherweise (wenn auch unwahrscheinlich) eine neue Art von Partikeln eröffnen. Aber selbst wenn sich herausstellt, dass es sich um ein neues Teilchen handelt, wird es nicht zur Dunklen Materie gehören, da dies die gesamte Struktur des Universums verletzen würde (insbesondere in kleinen Maßstäben), und unsere Beobachtungen dieser Strukturen schließen ein solches Szenario aus.

Was ist also interessant, kann aber keine dunkle Materie sein? Auf keinen Fall, nur wenn wir an vielen Stellen etwas Schreckliches durcheinander gebracht haben.

Vielen Dank für die wundervolle Frage, und ich hoffe, dass Ihnen und den anderen die Erklärung klar gemacht wurde. Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.

Fragen Sie Ethan Nr. 66: Haben wir dunkle Materie gefunden?

Auf keinen Fall. Was wir gefunden haben, wenn auch ein Rätsel, aber sicherlich nicht die verlorene Masse unseres Universums

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