Fragen Sie Ethan: Ein Überschuss an Positronen - lohnt es sich, dunkle Materie der Lösung aller Geheimnisse der Astrophysik zuzuschreiben?

Das HAWC-Teleskop mit einem weiten Sichtfeld sieht die Geming- Pulsare und PSR B0656 + 14 als Leuchtfeuer der Gammastrahlung, deren Winkelgröße größer ist als die des Mondes (angegeben für die Skalierung).

Trotz all unserer Kenntnisse der Gesetze der Physik und der Erfolge des Standardmodells und der Allgemeinen Relativitätstheorie fehlt einigen Beobachtungen von Phänomenen im Universum eine umfassende Erklärung. Das Universum ist immer noch voller Geheimnisse, von der Bildung von Sternen bis zu hochenergetischen kosmischen Strahlen. Obwohl wir viele Entdeckungen im Zusammenhang mit dem Weltraum gemacht haben, wissen wir immer noch nicht alles. Bedeutet dies, dass es sich lohnt, der Wirkung der Dunklen Materie einen unbekannten Effekt zuzuschreiben? Unser Leser fragt:

Es wird normalerweise über dunkle Materie geschrieben, dass sie nur durch die Schwerkraft mit Materie interagiert. Wie suchst du sie? Es sieht aus wie ein altes Rätsel mit schwarzen Löchern, die alles ansaugen. Und dann habe ich in einem anderen Artikel gelesen, dass es auf andere Weise und nicht nur durch Gravitationslinsen erkannt werden kann. Wie vernichtet es? Sieht es aus wie die Vernichtung von Positronen mit Elektronen?

Es listet viele Geheimnisse und viele Beweise für das Vorhandensein dunkler Materie auf. Das Zuordnen aller Rätsel zur Arbeit von TM ist jedoch nicht nur ein kurzsichtiger Ansatz, sondern auch ein gutes Beispiel dafür, was passiert, wenn Wissenschaftlern die guten Ideen ausgehen.


Jede der beiden hellen großen Galaxien im Zentrum des Veronica-Haarclusters , NGC 4889 (links) und NGC 4874 (rechts, etwas kleiner), überschreitet eine Million Lichtjahre. Die schnelle Bewegung der Galaxien an der Peripherie weist jedoch auf das Vorhandensein eines großen Halos dunkler Materie im gesamten Volumen des Clusters hin

Dunkle Materie ist im ganzen Universum verstreut. Sein Konzept wurde erstmals in den 1930er Jahren vorgeschlagen, um die schnelle Bewegung einzelner Galaxien in Clustern zu erklären, da sich herausstellte, dass alle normale Materie - bestehend aus Protonen, Neutronen und Elektronen - nicht ausreicht, um die Gesamtmenge der Schwerkraft zu erklären. Dies sind Sterne, Planeten, Gas, Staub, interstellares und intergalaktisches Plasma, Schwarze Löcher und alles, was wir messen können. Es gibt viele zwingende Faktoren, die die Dunkle Materie unterstützen.


Das Raumnetz wird durch dunkle Materie gesteuert, und Strukturen des größten Maßstabs werden durch die Expansionsrate und die dunkle Energie bestimmt. Kleine Strukturen entlang der Fäden bilden sich aufgrund des Zusammenbruchs normaler Materie, die elektromagnetisch wechselwirkt.

Und dies schließt nicht nur Galaxien in Clustern ein, obwohl jeder Cluster dies definitiv benötigt. TM ist notwendig für:

• Beschreibungen der Rotationseigenschaften von Galaxien,
• die Bildung von Galaxien unterschiedlicher Größe, von riesigen elliptischen Galaxien von der Größe der Milchstraße bis zu winzigen Zwerggalaxien,
• Wechselwirkungen zwischen Galaxienpaaren,
• die Eigenschaften von Galaxienhaufen und die Eigenschaften von Galaxienhaufen in großem Maßstab,
• Raumnetz, einschließlich seiner filamentösen Struktur,
• CMB-Fluktuationsspektrum,
• beobachtete Effekte von Gravitationslinsen in fernen Massen,
• Unterschiede zwischen den beobachteten Auswirkungen der Schwerkraft und der normalen Materie in kollidierenden galaktischen Clustern.

Von den kleinen Maßstäben einzelner Galaxien bis zum Universum wird dunkle Materie vollständig benötigt.


Röntgen- (rosa) und allgemeine Materiekarten (blau) verschiedener kollidierender galaktischer Cluster zeigen den Unterschied zwischen normaler Materie und Gravitationseffekten - dies ist einer der überzeugendsten Beweise für das Vorhandensein dunkler Materie. Alternative Gravitationstheorien müssen so angespannt werden, dass viele sie für lächerlich halten

Wenn Sie dies mit dem Rest der Kosmologie kombinieren, erhalten wir Beweise dafür, dass jede Galaxie, einschließlich unserer, einen massiven, verdünnten Lichthof des umgebenden TM enthält. Im Gegensatz zu Sternen, Gas und Staub in Galaxien, die in Form einer Scheibe existieren, muss der Lichthof des TM kugelförmig sein, da es zahlreiche Hinweise dafür gibt, dass sich das TM im Gegensatz zu normaler atombasierter Materie nicht abflacht, wenn es mit sich selbst oder kollidiert mit gewöhnlicher Materie. Darüber hinaus sollte das TM um das Zentrum der Galaxie am dichtesten sein und an Dichte verlieren, wenn es sich wegbewegt, und sich wahrscheinlich auch in einem Abstand von zehnmal so weit wie die Verteilung der Sterne erstrecken. Schließlich sollten in jedem Lichthof kleine TM-Klumpen vorhanden sein.


Nach Modellen und Simulationen sollten alle Galaxien von einem Lichthof aus dunkler Materie mit einem Dichtepeak im galaktischen Zentrum umgeben sein. Wenn jedoch nur das TM bestimmten Modellen nicht gehorcht und bestimmte Eigenschaften aufweist, ist es schwierig, den Überschuss an Positronen oder Gammastrahlen zu erklären

Um das gesamte Spektrum der obigen Beobachtungen und einiger anderer zu erklären, sollte TM keine anderen Eigenschaften haben, außer den folgenden:

• sie muss Masse haben;
• es muss gravitativ interagieren;
• es sollte sich relativ zu der Lichtgeschwindigkeit von den frühesten Zeiten an langsam bewegen;
• Es sollte praktisch keine anderen Arten von Interaktionen erfahren.

Das ist alles. Alle anderen Interaktionen sind stark eingeschränkt, aber nicht ausgeschlossen.

Warum also jedes Mal, wenn während der astrophysikalischen Beobachtung ein Überschuss an normalen Partikeln auftritt - Photonen, Positronen, Antiprotonen usw. - Versuchen die Leute in erster Linie, TM zu „beschuldigen“?


Wenn Sie nicht wissen, wie Sie Beobachtungen erklären sollen, die nicht mit der Schwerkraft zusammenhängen, geben Sie TM sofort die Schuld für alles - es bedeutet, nach einem Strohhalm zu greifen.

Im November 2017 veröffentlichte ein Team, das Gammastrahlungsquellen in der Nähe von Pulsaren untersuchte, seine Arbeit in der Zeitschrift Science und versuchte besser zu verstehen, woher der beobachtete Überschuss an Positronen stammt. Positronen, Antiteilchen von Elektronen, treten natürlich auf, wenn Teilchen normaler Materie auf ausreichend hohe Energien beschleunigt werden, wodurch Elektronen-Positronen-Paare in Kollisionen auftreten können, beginnend mit Einsteins E = mc ² . In Experimenten in der Teilchenphysik erzeugen wir diese Paare routinemäßig, und wir können auch Hinweise auf die Bildung von Positronen in der Astrophysik sehen - sowohl direkt bei der Suche nach kosmischen Strahlen als auch nicht direkt bei der Untersuchung der Energiezeichen der Elektronen-Positronen-Reannihilation.


Die charakteristischen Signale für die Elektron-Positronen-Re-Vernichtung bei niedrigen Energien bei einer Photonenlinie von 511 keV wurden vom INTEGRAL-Satelliten umfassend gemessen

Astrophysikalische Anzeichen für das Vorhandensein von Positronen sind im Zentrum der Galaxie sichtbar. Sie konzentrieren sich auf Punktquellen wie Mikroquasare und Pulsare in der mysteriösen Region unserer Galaxie, die als " großer Vernichter " bezeichnet wird, und werden als verstreuter Hintergrund unbekannter Herkunft beobachtet. Eines ist klar: Im Allgemeinen sehen wir mehr Positronen als wir erwartet hätten. Dies ist seit Jahren bekannt: Als Ergebnis von Messungen von PAMELA , Fermi , einem magnetischen Alpha-Spektrometer an Bord der ISS. Kürzlich hat das HAWC- Observatorium Gammastrahlen mit sehr hoher Energie in der Größenordnung von TeV gemessen, was darauf hindeutet, dass sehr stark dispergierte Partikel aus der Richtung von Pulsaren mittleren Alters zu uns kommen. Leider reicht dies nicht aus, um den Überschuss an Positronen zu erklären.


Der Überschuss an hochenergetischen Positronen ist schwer zu erklären, aber das Fehlen einer Abflachung des Spektraldiagramms, die aufgrund der HAWC-Messungen fortgesetzt wurde, zeigt, dass dunkle Materie der Grund dafür war

Aber aus irgendeinem Grund beginnen Gespräche mit jeder neuen Messung des Positronenüberschusses oder der Beobachtung einer astrophysikalischen Quelle, die nicht dafür verantwortlich sein kann, sofort im Stil von "Wir können dies nicht erklären, daher ist die Dunkle Materie schuld". Und das ist schlecht - es gibt einige Kandidaten für astrophysikalische Quellen, die keine Exotik benötigen:

• Sekundärproduktion von Positronen und Gammastrahlen auf anderen Partikeln,
• Mikroquasare oder andere schwarze Löcher, die Materie absorbieren,
• sehr junge oder sehr alte Pulsare, einschließlich Magnetare,
• Supernova-Überreste.

Und dies ist keine vollständige Liste - nur Beispiele dafür, was diesen Überschuss verursachen könnte.


Die Überreste einer Supernova werfen nicht nur schwere Elemente, die während der Explosion entstanden sind, zurück ins Universum - das Vorhandensein dieser Elemente kann von der Erde aus bestimmt werden

Viele Wissenschaftler, die auf diesem Gebiet arbeiten, tendieren hauptsächlich zu dunkler Materie, denn wenn sie Gammastrahlen und Partikel normaler Materie vernichtet und erzeugt, wäre dies eine Revolution und ein Durchbruch. Dies wäre ideal für Jäger der Dunklen Materie unter Astrophysikern. Aber Wunschdenken funktioniert nicht, und soweit wir beurteilen können, wird die Vernichtung von Teilchen der dunklen Materie von uns immer noch nicht erkannt. Und obwohl TM immer als mögliche Erklärung für den Überschuss an Positronen angesehen wird, ist dies im Fall des Tabby-Sterns nicht wahrscheinlicher als die Aktivität von Außerirdischen .


Die Idee, einen Stern in ein Gehäuse aus Lichtsammelmaterial einzuschließen, ist als "Dyson-Kugel" bekannt. Während des Baus kann es immer mehr Sternenlicht bedecken. Diese unwahrscheinliche Erklärung für die Aktivität des Tabby-Sterns ähnelt der Erklärung des Überschusses an Positronen unter Verwendung von TM

Ich habe Brenda Dingus, die HAWC-Projektleiterin, kontaktiert und sie hat dies folgendermaßen kommentiert:

Es besteht kein Zweifel, dass Positronen andere Quellen haben. Positronen breiten sich jedoch nicht weit von Quellen aus, und es gibt nicht so viele Positronenquellen in der Nähe. Die beiden besten Quellenkandidaten wurden vom HAWC entdeckt, und jetzt wissen wir, wie viele Positronen sie emittieren. Und wir wissen auch, wie sich diese Positronen von den Quellen zerstreuen, und dies geschieht langsamer als bisher angenommen. Obwohl wir das Vorhandensein von Positronenquellen in der Nähe bestätigt haben, haben wir festgestellt, dass sich Positronen sehr langsam von der Quelle ausbreiten und daher nicht für den Überschuss an Positronen auf der Erde verantwortlich sind.

Wenn Sie eine Möglichkeit streichen, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der anderen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass diese Positronen notwendigerweise aus dunkler Materie stammen. Wir haben es nicht so gemeint.

Der hypothetische Überschuss an Positronen aus HAWC-Beobachtungen legt nahe, dass nur ein kleiner Teil der erforderlichen Anzahl von Positronen aus Quellen wie nahegelegenen Pulsaren mittleren Alters stammen könnte.

Die Tatsache, dass die Daten von HAWC das Vorhandensein von nur 1% der in anderen Experimenten beobachteten Positronen erklären, ist in der Tat so, und dies ist ziemlich bemerkenswert - und legt nahe, dass etwas anderes für ihr Vorhandensein verantwortlich ist. Wenn Sie eine Beobachtung haben, die gewöhnliche Ideen, zum Beispiel ein Überschuss an astrophysikalischen Positronen, nicht erklären können, können Sie die Idee vertreten, dass dieses TM lang ersehnte Wechselwirkungen aufweist. Es ist jedoch viel wahrscheinlicher, dass ein anderer astrophysikalischer Prozess bekannte, gewöhnliche Partikel beschleunigt, was zu solchen Effekten führt. Wenn in der Wissenschaft ein Rätsel auftaucht, ist es notwendig, den Geist für die Möglichkeit einer Revolution offen zu halten, aber auf das Gewöhnliche zu wetten. Und glauben Sie niemals dem Hype, der das Gegenteil behauptet.