Superfluides Universum: Dunkle Materie als Bose-Einstein-Kondensat

Quanteneffekte wirken nicht nur auf subatomarer Ebene: Sie können über die Galaxie verteilt werden und das Geheimnis der dunklen Materie lösen

Der größte Teil der Materie des Universums ist unsichtbar, besteht aus einer bestimmten Substanz, die beim Durchgang durch uns und durch alle von Wissenschaftlern gebauten Detektoren keine Spuren hinterlässt, um sie einzufangen. Aber diese dunkle Materie besteht möglicherweise nicht einmal aus unsichtbaren Teilchenwolken, wie die meisten Theoretiker vermuten. Stattdessen könnte es sich als etwas noch Seltsameres herausstellen: ein Superfluid , das sich vor Milliarden von Jahren zu Pfützen verdichtete und die Galaxien hervorbrachte, die wir heute beobachten.

Diese neue Annahme hat weitreichende Konsequenzen für die Kosmologie und Physik. Superfluide Dunkle Materie (STM) löst viele theoretische Probleme, die mit Partikelwolken verbunden sind. Sie erklärt die dehnbar langen, erfolglosen Versuche, die einzelnen Komponenten dieser Wolken zu bestimmen. Es bietet auch einen klaren wissenschaftlichen Weg für weitere Suchen und gibt bestimmte Vorhersagen, die bald überprüft werden können.

STM hat auch wichtige konzeptionelle Implikationen. Aus dieser Idee folgt, dass das allgemein akzeptierte Konzept des Universums als Masse einzelner Teilchen, die durch einige Kräfte gebunden sind - als ob der Designer eines Kindes - den gesamten Reichtum der Natur verfehlt. Der größte Teil der Materie im Universum kann sich völlig von der Materie unterscheiden, aus der Ihr Körper besteht: Sie besteht möglicherweise nicht aus Atomen oder sogar solchen Teilchen, wie wir uns normalerweise vorstellen, sondern ist ein zusammenhängendes Ganzes von enormem Ausmaß.

"Seit vielen Jahren verwenden Menschen das einfachste Modell für TM: Teilchen, die nicht mit anderen Teilchen kollidieren und kein Licht emittieren", sagte Justin Khoury, Professor für theoretische Physik an der University of Pennsylvania. "In den letzten 20 Jahren haben sich Beobachtungen und Computersimulationen deutlich verbessert, und auf galaktischer Ebene weist dieses Modell einige Probleme auf." TM-Partikel kollidieren nicht mit sich selbst und bilden daher keine kompakten Strukturen, die Sternen und Planeten entsprechen. Da TM per Definition kein Licht emittiert, ist sein Gravitationseffekt ein Beweis für seine Existenz: Unsichtbares Material beeinflusst nach allem die Bildung, Rotation und Bewegung von Galaxien. Auf den größten Skalen stimmen kollisionsfreie HMs normalerweise gut mit astronomischen Beobachtungen überein.

In kleinerem Maßstab sagt dieses beliebte und weit verbreitete Modell voraus, dass mehr Material in galaktischen Zentren gesammelt werden sollte, als Astronomen sehen können - dieses Merkmal ist als „Höckerproblem“ bekannt. Außerdem sagt dieses Modell zu viele Satellitengalaxien für die Milchstraße voraus und kann nicht erklären, warum sich die Satelliten, die wir wirklich haben, fast in derselben Ebene befinden. Und schließlich sagt TM ohne Kollisionen nichts darüber aus, warum die Helligkeit von Spiralgalaxien ihrer Rotationsgeschwindigkeit entspricht. Dieses einfache Modell scheint zu einfach zu sein.

Eine mögliche Erklärung für solche Mängel könnte sein, dass Physiker einen wichtigen astrophysikalischen Prozess verpasst haben, der an der Bildung der Galaxie beteiligt ist. Aber Koury glaubt das nicht. Aus seiner Sicht spricht dieses Problem von etwas Tieferem. Der Punkt ist nicht nur, dass das kalte Modell von TM ohne Kollisionen kaum einigen Daten entspricht, sondern auch, dass ein völlig anderes Modell viel besser mit den Beobachtungen übereinstimmt, mit denen das Standardmodell Probleme hat. Anstatt neue, unentdeckte Partikel zu erfinden, schlägt ein anderes Modell vor, die Schwerkraft an TM anzupassen. Das Verhalten der Schwerkraft in Entfernungen von Tausenden und Millionen von Lichtjahren kann nicht direkt gemessen werden. Kleine Effekte, die auf der Erde nicht entdeckt werden können, können auf der Skala einer ganzen Galaxie eine ziemlich große Rolle spielen.

Die Modifikation der Schwerkraft (MG) ist in einigen Fällen überraschend erfolgreich und weist in anderen Fällen Probleme auf. Einerseits entspricht es überraschend leicht der Rotation von Galaxien und erklärt, woher die Abhängigkeit von Helligkeit und Rotationsgeschwindigkeit kommt. MG lässt nicht zu, dass eine solche Vielzahl von Parametern von Galaxie zu Galaxie auftritt, die bei der Verwendung von Partikelwolken auftreten - letztere können völlig unterschiedlich sein. Andererseits kommt der MG kaum mit Beobachtungen von Entfernungen zurecht, die viel größer oder kleiner als die Größe einer typischen Galaxie sind. In diesen Maßstäben funktioniert das Modell von kaltem TM besser.

Es ist berüchtigt dafür, dass es äußerst schwierig ist, etwas in der Einsteinschen Gravitationstheorie zu ändern, ohne es vollständig zu brechen. Daher wählen die meisten Physiker eine sicherere Alternative in Form von Partikeln. Für sie ist das Auftreten neuer Teilchen ein ausgetretener Weg zur Lösung von Problemen, und die damit verbundene Mathematik ist ein vertrautes Gebiet. Aber Koury will sich keiner dieser Parteien anschließen. Er möchte das Beste aus beiden herausholen, um am besten zum wirklichen Universum zu passen.

„Normalerweise versuchten die Menschen, Probleme im galaktischen Maßstab zu lösen, indem sie die Schwerkraft veränderten. Das war die Alternative zu TM “, sagt Courie. - Und aus irgendeinem Grund, vielleicht sozialer Natur, wurden diese beiden Ansätze als sich gegenseitig ausschließend angesehen: Sie befinden sich entweder im MG-Lager oder im TM-Lager, das aus Partikeln besteht. Aber warum nicht kombinieren? Natürlich würde Occams Rasiermesser sagen, dass es weniger überzeugend wäre. Daher haben wir uns für den Ansatz entschieden, dass beide Phänomene, MG und TM, die aus Partikeln bestehen, einfach Aspekte derselben Theorie sein können. “

Seit seiner Entdeckung durch den Schweizer Astronomen Fritz Zwicky vor mehr als 80 Jahren haben sich Beweise für die Existenz von TM angesammelt. 1933 benutzte Zwicky das Hooker 254-cm-Teleskop am Mount Wilson Observatory in Kalifornien und richtete es auf den Veronica Hair Cluster . Dies ist ein Schwarm von etwa 1000 Galaxien, die durch Anziehungskraft miteinander verbunden sind. In einem solchen verbundenen System hängen die Geschwindigkeiten seiner Komponenten - in diesem Fall Galaxien - von der gesamten gebundenen Masse ab. Zwicky bemerkte, dass sich Galaxien viel schneller bewegen als wenn man nur die scheinbare Masse der Materie betrachtet, und schlug vor, dass der Cluster unsichtbare Materie enthalten sollte. Er nannte es Dunkle Materie oder auf Deutsch „Dunkle Materie“.

Physiker könnten diesen Fall als seltsame Abweichung verwerfen. Es stellte sich jedoch heraus, dass diese Beobachtung eher die Regel als die Ausnahme ist, als die amerikanische Astronomin Vera Rubin die Rotation von Spiralgalaxien aus den 1960er Jahren untersuchte. Die Geschwindigkeit der Sterne in Umlaufbahnen, die weit vom Zentrum der Galaxie entfernt sind, hängt von der Gesamtmasse (und folglich von der Anziehungskraft) des verbundenen Systems ab - in diesem Fall von der Masse der Galaxie. Rubins Messungen zeigten, dass sich Dutzende von Galaxien schneller drehten, als man es nur von sichtbarer Materie erwartet hätte. Seit Rubins Beobachtungen TM ans Licht der Suchscheinwerfer gebracht haben, steht es auf der Liste der beliebtesten ungelösten Probleme der Physik.

Die Teleskoptechnologie hat sich stetig verbessert, und die aus Beobachtungen gewonnenen Beweise für TM wurden schrittweise gesammelt und verfeinert. Physiker können nun kleine Verzerrungen aufgrund der Gravitationskrümmung der Raumzeit in der Nähe von galaktischen Clustern beobachten. Diese Verzerrung, die als schwache Gravitationslinse bekannt ist, verzerrt das Erscheinungsbild entfernterer Sternobjekte geringfügig. Das von ihnen kommende Licht biegt sich um den Cluster, dessen Anziehungskraft wie eine Linse wirkt. Durch die Stärke dieses Effekts kann man insgesamt die Masse des Clusters berechnen und das Vorhandensein von HM nachweisen. Mit dieser Methode haben Physiker sogar Karten der Verteilung von TM erstellt. Beim Vergleich mit anderen Beweismethoden stellten sie fest, dass 85% der Materie des Universums sich auf TM beziehen sollten.

Mit noch mehr Daten konnten Physiker auch die Idee ausschließen, dass TM aus unsichtbaren Klumpen gewöhnlicher Atome besteht, wie sie die Erde bilden (technisch werden sie als baryonische Materie bezeichnet ). Diese normale Materie interagiert zu viel mit sich selbst; es würde nicht die beobachtete Verteilung von TM ergeben. TM kann auch nicht aus Sternen bestehen, die in Schwarze Löcher oder andere dunkle astronomische Objekte fallen. Wenn dies so wäre, müssten diese Objekte den Sternen in unserer Galaxie weit überlegen sein, was zu signifikanten und leicht beobachtbaren Gravitationsverzerrungen führen würde. HM kann auch nicht aus anderen bekannten Partikeln bestehen, wie beispielsweise schwach wechselwirkenden Neutrinos, die von Sternen in großer Anzahl emittiert werden. Neutrinos verschmelzen nicht stark genug, um beobachtbare galaktische Strukturen zu erzeugen.

Es stellt sich heraus, dass Physiker, um zu erklären, woraus TM besteht, Theorien über neue, noch nicht entdeckte Teilchen aufstellen müssen. Am häufigsten werden sie verwendet, die in zwei große Klassen fallen: schwach wechselwirkende massive Partikel ( WIMPs ) und viel leichtere Axionen , obwohl es auch nicht an komplexeren Hypothesen mangelt, die verschiedene Arten von Partikeln kombinieren. Alle Versuche, diese Partikel direkt zu erfassen und ihre Anwesenheit nicht nur aus der Anziehungskraft der Gravitation abzuleiten, bleiben jedoch erfolglos. Anstatt das Rätsel zu lösen, vertieften Experimente, um sie direkt zu erkennen, es nur.

"Heute ist es unmöglich, sich für Kosmologie zu interessieren, ohne sich für dunkle Materie zu interessieren", sagte Stefano Liberati, Professor für Physik an der International School for Advanced Studies in Italien. Liberati und Kollegen arbeiteten unabhängig voneinander an einer Erklärung von TM , die der von Kouri sehr ähnlich ist. Als Liberati zum ersten Mal entdeckte, wie erfolgreich MGs im galaktischen Maßstab sind, wo kalte TM-Modelle versagen, versuchte er sofort, eine Möglichkeit zu finden, diese beiden Modelle zu kombinieren. "Es hat mich zum Nachdenken gebracht: Vielleicht erlebt TM einen Phasenübergang in kleinem Maßstab", sagt er. - Vielleicht verwandelt es sich in eine Art Flüssigkeit, insbesondere in ein Superfluid. Wenn es im galaktischen Maßstab Kondensation bildet, würde es tatsächlich viele Probleme lösen. “

Superfluide Flüssigkeiten gibt es im Alltag nicht, aber sie sind den Physikern vertraut. Sie sind wie Supraleiter - eine Klasse von Materialien, in denen sich Elektrizität ohne Widerstand bewegt. Beim Abkühlen auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt beginnt auch Helium ohne Widerstand zu fließen. Es sickert durch die kleinsten Poren und fließt sogar aus Paletten heraus und bewegt sich die Wände hinauf. Ein solches Superfluid-Verhalten ist nicht nur bei Helium zu beobachten. Dies ist die Phase des Materiezustands, in die andere Teilchen bei ausreichend niedrigen Temperaturen gelangen können. Diese Klasse ultrakalter Flüssigkeiten, die 1924 erstmals von Einstein und dem indischen Physiker Chatyatranath Bose vorhergesagt wurde , ist heute als Bose-Einstein-Kondensat bekannt . Liberati erkannte, dass TM auch in einen superfluiden Zustand übergehen kann.

Bose-Einstein-Kondensate lassen sich am besten in Form einer Mischung aus zwei Komponenten untersuchen: Superfluid-Flüssigkeit und Normal. Diese beiden Komponenten verhalten sich unterschiedlich. Superfluid zeigt Quanteneffekte in großen Entfernungen, es hat keine Viskosität und unerwartete Korrelationen treten in großen Maßstäben auf; es verhält sich so, als ob es aus viel größeren Partikeln besteht, als es tatsächlich ist. Eine andere, normale Komponente verhält sich wie die üblichen Flüssigkeiten; haftet an Behältern und an sich selbst - das heißt, es hat Viskosität. Das Verhältnis zwischen den beiden Komponenten hängt von der Temperatur des Kondensats ab: Je höher die Temperatur, desto größer der Einfluss der normalen Komponente.

Wir sind es gewohnt zu denken, dass die Quantenphysik nur im mikroskopischen Bereich vorherrscht. Aber je mehr Physiker über die Quantentheorie lernten, desto klarer wurde, dass dies nicht der Fall war. Bose-Einstein-Kondensate gehören zu den am besten untersuchten Substanzen, die die Ausbreitung von Quanteneffekten in einem Medium ermöglichen. Theoretisch kann sich das Quantenverhalten auf beliebig große Entfernungen erstrecken, wenn seine Störungen ausreichend schwach sind.

In einer so warmen und lauten Umgebung wie der Erde werden fragile Quanteneffekte schnell zerstört. Daher begegnen wir normalerweise nicht so seltsamen Aspekten der Quantenphysik wie der Fähigkeit von Teilchen, sich wie Wellen zu verhalten. Wenn Sie jedoch an einem kühlen und ruhigen Ort Quantenverhalten aufrufen, bleibt es bestehen. An einem so kalten, ruhigen Ort wie dem Weltraum. Dort können sich Quanteneffekte über weite Entfernungen erstrecken.

Wenn das TM ein Bose-Einstein-Kondensat wäre - eines, bei dem sich der Quanteneffekt auf die gesamte Galaxie erstreckt - würde dieser Zustand natürlich zwei verschiedene Modelle des Verhaltens des TM erklären. Innerhalb der Galaxien würde sich der größte Teil des TM in der Superfluidphase befinden. Während galaktischer Cluster mit einem großen Anteil des intergalaktischen Raums würde sich der größte Teil des TM in der normalen Phase befinden, was ein anderes Verhalten verursachen würde. Laut Cooney und Kollegen ist es möglich, die beobachteten Effekte von HM mit einem einfachen Bose-Einstein-Kondensatmodell mit nur wenigen offenen Parametern zu erklären (Eigenschaften, die die richtigen Werte haben müssen, damit das Modell funktioniert).

Die Idee, dass TM ein Bose-Einstein-Kondensat sein kann, dreht sich seit langem in der astrophysikalischen Gemeinschaft, aber die neue Version hat ihre eigenen Unterschiede. Kouris neue Idee ist so überzeugend, weil er sagt, dass Superfluid TM MG imitieren kann: Es erreicht das Ziel, indem es das Beste aus beiden Modellen kombiniert. Es stellt sich heraus, dass die Schwerkraft nicht modifiziert werden muss, um die in MG-Theorien beobachteten Ergebnisse zu erhalten. Kohärentes Superfluid kann dazu führen, dass dieselben Gleichungen und dasselbe Verhalten auftreten. Somit kombiniert das Koury-Modell die Vorteile von kaltem TM und MG ohne die Nachteile beider Theorien.

Superfluid TM kann das größte MG-Problem überwinden: die Abneigung der meisten Astrophysiker. Viele dieser Forscher kamen aus der Teilchenphysik, und die MG-Gleichungen erscheinen ihnen ungewöhnlich. Für einen Teilchenphysiker sehen diese Gleichungen unattraktiv und unnatürlich aus. Sie scheinen auf das Ergebnis zugeschnitten zu sein. Aber Superfluid TM bietet einen anderen, vielleicht natürlicheren Ansatz für Gleichungen.

Gleichungen für Superfluid TM gehören laut Cowry nicht zum Bereich der Elementarteilchenphysik. Sie stammen aus der Physik der kondensierten Materie , wo sie nicht fundamentale Teilchen beschreiben, sondern ein auf ihrer Basis auftretendes Fernverhalten. Im Kouri-Modell beschreiben die im MG erscheinenden Gleichungen keine einzelnen Partikel. Sie beschreiben das Gelenkverhalten von Partikeln. Solche Gleichungen sind vielen Experten der Teilchenphysik unbekannt, so dass die Beziehung zwischen Superfluidität und MG so lange unbemerkt blieb. Im Gegensatz zu MG-Gleichungen haben Gleichungen, die superfluide Flüssigkeiten beschreiben, bereits eine starke theoretische Grundlage - nur in der Physik der kondensierten Materie.

Dass Kouri diese Verbindung bemerkte, ist ein unvorhersehbarer Zufall. Er stieß auf Literatur zur Physik der kondensierten Materie und verwendete Gleichungen, die denen in MG-Theorien sehr ähnlich waren: „Und alles andere passte einfach zusammen“, sagt er. "Ich dachte, dass all dies nur ein schönes Bild ergibt, das diese beiden Phänomene kombiniert."

Kourys superfluider Ansatz kann viele Probleme bestehender Modelle lösen, um auf Beobachtungsnachweise für die Existenz von TM zurückzukommen. Zunächst verhindert die Superfluidität eine übermäßige Verklumpung von HMs in den Zentren von Galaxien, wodurch der illusorische „Knick“ beseitigt wird, da alle Dichteschwankungen in der Superfluidphase ausgerichtet sind. "Das Superfluid wird eine kohärente Länge haben [die Entfernung, in der sich alle Materie im selben Zustand befindet]", sagt Liberati. "Daraus ist bereits klar, dass es keine Exzesse geben wird."

Superfluidität erzeugt ein Anziehungsschema, das mit den MG-Gleichungen identisch ist, so dass es für die beobachtete Regelmäßigkeit der Rotationskurven von Galaxien verantwortlich sein kann. Im Gegensatz zu MG verhält es sich jedoch nur bei solchen Temperaturen, bei denen die Superfluidkomponente überwiegt. In größeren Maßstäben galaktischer Cluster erweist sich HM als zu angeregt (dh zu heiß) und verliert die Eigenschaften der Superfluide. Auf diese Weise könnte Superfluid TM zur Bildung sichtbarer Galaxien führen und gleichzeitig in einer Phase, die sich von der Superfluidität unterscheidet, der beobachteten Struktur von Clustern entsprechen.

Kouris Ansatz erklärt, warum Astronomen keine Hinweise auf MG im Sonnensystem beobachten. „Die Sonne erzeugt ein so starkes Gravitationsfeld, dass sie die Kohärenz der Superfluide lokal zerstört“, sagt er. - In der Nähe des Sonnensystems nicht in Bezug auf die Superfluid-Kohärenz reflektieren. Die Sonne verhält sich wie eine Unreinheit. Wie ein Loch in einer Flüssigkeit. “

Schließlich erklärt das Superfluid-Modell, warum Physiker TM-Partikel nicht finden können. Seit den 1980er Jahren haben Dutzende verschiedener Experimente nach direkten Beweisen für die Existenz solcher Partikel gesucht.Diese Experimente verwenden normalerweise große abgeschirmte Tanks mit verschiedenen Materialien, die in seltenen Fällen mit TM-Partikeln interagieren und ein beobachtetes Signal liefern können. Trotz der Vielzahl von Techniken und Materialien, der Verwendung sorgfältig isolierter Detektoren, die in unterirdischen Minen versteckt sind, um falsche Signale herauszufiltern, wurden keine überzeugenden Beweise für die Existenz von TM gefunden.

In Ermangelung einer Erkennung wird die Idee, dass TM etwas anderes als nur eine andere Art von Partikeln sein kann, überzeugender. „Als Student bin ich alle dreißig Nächte aufgewacht, nachdem ich über die veränderte Schwerkraft geschlafen hatte“, sagt Nima Arkani-Hamed, Professorin für theoretische Physik in Princeton. "Dann geschah es einmal alle 300 Nächte und jetzt einmal alle 100. Das Thema kehrt zurück."

Wenn HM eine superfluide Flüssigkeit ist, sollten die Partikel, aus denen es besteht, leicht und viel leichter sein als die hypothetischen HM-Partikel, nach denen die meisten Experimente suchen. Die Komponenten eines Superfluids sind wahrscheinlich zu leicht, um in aktuellen Experimenten nachweisbar zu sein.

Eine verbesserte und einzigartige Vorhersage des Cowry-Modells ist, dass das Superfluid-Quantenverhalten bei Kollisionen von Galaxien charakteristische Spuren hinterlassen sollte. Wenn das Kondensat von TM einer Galaxie mit dem Kondensat einer anderen Galaxie kollidiert, sollten Interferenzmuster auftreten - Wellen in der Verteilung von Materie und Schwerkraft, die das Verhalten von Galaxien beeinflussen. Superfluid TM macht auch Vorhersagen über die Reibung zwischen den Komponenten von TM in Galaxienhaufen; Eine solche Reibung ergibt wiederum eine eindeutige Zeichnung der Anziehungskraft. Beobachtungen von Gravitationslinsen können diese Anzeichen für das Vorhandensein von Superfluid TM erkennen, wenn Sie genau wissen, wonach Sie suchen müssen.

Für die numerische Schätzung von Vorhersagen sind Computersimulationen erforderlich. Koury arbeitet derzeit mit Forschern der Universität Oxford an einem solchen Projekt. Simulationen sollten auch zeigen, ob die erwartete Anzahl von Satellitengalaxien mit der Superfluid TM -Theorie besser ist als mit Vorhersagen aus vorhandenen Modellen.

Amanda Weltman, eine Kosmologin von der Universität von Kapstadt, die mit TM arbeitet, aber nicht an dieser Studie teilgenommen hat, hält das neue Modell für "sehr interessant und kreativ". Aber sie sagt, dass sie ihre Schätzungen behalten wird, bis sie eine experimentelle Bestätigung sieht, einige Beweise, die eindeutig die Superfluidität unterstützen: "Solche Beobachtungen werden ihren Ideen echtes Gewicht verleihen." Wenn Simulationen auf Supercomputern erfolgreich sind, kann Koury möglicherweise solche Beweise liefern. Und dann müssen wir uns an eine noch komplexere Ansicht des Universums gewöhnen - gefüllt nicht nur mit dunkler Materie, sondern auch mit reibungslosen Superfluidflüssigkeiten, die um helle Galaxien herumwirbeln.

Arkani-Hamed ist skeptischer und nicht bereit, sich von kaltem TM zu trennen. "Aber wenn die Weicheier in den nächsten Experimenten nicht gefunden werden, werden sie in den nächsten 20 Jahren nicht gefunden", sagt er. Er glaubt, dass es an der Zeit ist, Modelle, die auf ungewöhnlichen Partikeln oder modifizierten Gravitationstheorien basieren, neu zu betrachten. Oder ein Modell, das das Beste aus zwei dunklen Welten kombiniert.