Fragen Sie Ethan: Kann dunkle Materie nicht aus Partikeln bestehen?

Obwohl der größte Teil der dunklen Materie in der Galaxie in einem riesigen Lichthof vorhanden ist, der uns umhüllt, bewegt sich jedes einzelne Teilchen des TM unter dem Einfluss der Schwerkraft in einer elliptischen Umlaufbahn. Wenn TM-Partikel für sich selbst Antiteilchen sind und wir herausfinden, wie sie genutzt werden können, können sie zu einer idealen Energiequelle werden.

Alles, was wir jemals im Universum gefunden haben, von Materie bis Strahlung, kann in die kleinsten Komponenten zerlegt werden. Alles auf dieser Welt besteht aus Atomen, die aus Kernen und Elektronen bestehen, und Kernen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Licht besteht auch aus Teilchen - Photonen. Selbst Gravitationswellen bestehen theoretisch aus Gravitonen: Teilchen, die wir eines Tages erhalten und registrieren können. Was ist mit dunkler Materie? Indirekte Beweise für seine Existenz sind unbestreitbar und überwältigend, aber muss es notwendigerweise aus Partikeln bestehen? Das fragt uns der Leser:

Wenn dunkle Energie als die Energie definiert werden kann, die dem Raumgefüge innewohnt, kann es sein, dass das, was wir als „dunkle Materie“ wahrnehmen, auch eine integrale Funktion des Raums ist - stark oder schwach mit dunkler Energie verbunden? Das heißt, anstelle des aus Partikeln bestehenden TM kann es mit Gravitationseffekten (homogen oder inhomogen) den gesamten Raum durchdringen, was unsere Beobachtungen erklären kann - so etwas wie „dunkle Masse“?

Schauen wir uns die Beweise an und sehen, was sie uns über die Möglichkeiten sagen.


Die Expansion (oder Kontraktion) des Raums ist eine notwendige Folge eines Universums, das Masse enthält. Die Expansionsrate und ihre zeitliche Änderung hängen jedoch quantitativ vom Inhalt des Universums ab.

Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften des Universums ist die direkte Beziehung zwischen seinem Inhalt und der Änderung der Expansionsrate im Laufe der Zeit. Durch viele sorgfältige Messungen verschiedener individueller Informationsquellen - Sterne, Galaxien, Supernovae, CMB, großräumige Strukturen des Universums - konnten wir beide Größen messen und die Zusammensetzung des Universums bestimmen. Im Prinzip könnten wir uns eine ganze Reihe von allem vorstellen, woraus unser Universum bestehen könnte - aber all diese Dinge würden unterschiedliche Auswirkungen auf die kosmische Expansion haben.


Verschiedene Komponenten und Beiträge zur Energiedichte des Universums und zum Zeitpunkt ihrer möglichen Dominanz. Wenn kosmische Ketten und Domänenwände in einer greifbaren Menge existieren würden, würden sie einen wesentlichen Beitrag zur Expansion des Universums leisten.

Dank eines vollständigen Datensatzes für heute wissen wir, woraus das Universum besteht:

• 68% - dunkle Energie, deren Dichte mit der Ausdehnung des Raumes erhalten bleibt;
• 27% - Dunkle Materie, die einen Gravitationseffekt mit einer mit zunehmendem Volumen abnehmenden Dichte ausübt, interagiert nicht, soweit man anhand von Messungen beurteilen kann, durch einige andere Wechselwirkungen.
• 4,9% - normale Materie, die alle physikalischen Wechselwirkungen erfährt, wobei die Dichte mit zunehmendem Volumen abnimmt, verklumpt und aus Partikeln besteht;
• 0,1% - Neutrinos, die Gravitations- und schwachen Kernwechselwirkungen ausgesetzt sind, bestehen aus Partikeln und kommen nur zusammen, wenn sie sich so verlangsamen, dass sie sich wie Materie und nicht wie Strahlung verhalten.
• 0,01% Photonen, die Gravitations- und elektromagnetische Wechselwirkungen erfahren und sich wie Strahlung verhalten; Wenn das Volumen zunimmt, nimmt ihre Dichte ab und die Wellenlänge erstreckt sich.

Im Laufe der Zeit hat sich die Bedeutung dieser verschiedenen Komponenten geändert, und die angegebenen Prozentsätze repräsentieren das heutige Universum.


Der Graph der scheinbaren Expansionsgeschwindigkeit (y-Achse) gegenüber der Entfernung (x-Achse) entspricht dem Universum, das sich in der Vergangenheit schneller ausdehnte, sich aber heute ausdehnt. Dies ist eine moderne Version des Diagramms, die tausendfach weiter reicht als Hubbles Hauptwerk. Unterschiedliche Kurven entsprechen unterschiedlichen möglichen Zusammensetzungen des Universums.

Basierend auf unseren besten Messungen hat dunkle Energie in verschiedenen Regionen des Universums, in alle Richtungen des Himmels und zu allen Zeitpunkten der kosmischen Geschichte die gleichen Eigenschaften. Mit anderen Worten, dunkle Energie sieht homogen und isotrop aus: Sie ist überall und immer gleich. Soweit wir wissen, muss dunkle Energie nicht aus Teilchen bestehen; es kann einfach eine Eigenschaft sein, die dem Raumgefüge innewohnt.

Dunkle Materie unterscheidet sich jedoch grundlegend davon.


Auf den größten Skalen kann der beobachtete Galaxienhaufen (blau und violett) ohne Verwendung dunkler Materie nicht in Simulationen (rot) reproduziert werden

Für die Bildung der Strukturen des Universums, die wir beobachten, insbesondere auf den größten kosmischen Skalen, muss dunkle Materie nicht nur existieren, sondern auch die Fähigkeit haben, sich zu verklumpen. Es kann nicht an allen Orten des Raumes die gleiche Dichte haben; Es sollte in Regionen mit hoher Dichte konzentriert sein und in Regionen mit niedriger Dichte spärlich sein oder einfach fehlen. Wir können genau sagen, wie viel TM in verschiedenen Regionen des Weltraums enthalten ist, indem wir verschiedene Beobachtungen durchführen. Und hier sind die drei wichtigsten Beobachtungen.


Daten zu großen Clustern (Punkten) und Vorhersagen, die auf einem Universum basieren, das 85% dunkle Materie und 15% normale Materie (durchgezogene Linie) enthält, sind unglaublich genau. Die Krümmung der Linie gibt die Temperatur des TM an; Der Grad der Abweichung kennzeichnet das Verhältnis von dunkler und gewöhnlicher Materie.

1) Die spektrale Dichte der Materie : Es ist notwendig, den Ort der Materie im Universum zu bestimmen, zu sehen, in welchem ​​Maßstab die Korrelation von Galaxien sichtbar ist - ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins von Galaxien in einem bestimmten Abstand von der ausgewählten - und alles zu markieren. Wenn das Universum aus homogener Materie bestehen würde, wäre die resultierende Struktur verschwommen. Wenn TM im Universum nicht gleich zu Beginn der Entwicklung verklumpen würde, würde die Struktur in kleinem Maßstab zerstört. Die spektrale Dichte der Materie zeigt, dass ungefähr 85% der Materie im Universum zu TM gehört, das sich völlig von Protonen, Neutronen und Elektronen unterscheidet, und dass dieses TM kalt oder mit geringer kinetischer Energie im Vergleich zu seiner Ruhemasse erschien.


Die Massenverteilung in dem durch Gravitationslinsen nachgebildeten Galaxienhaufen Abell 370 zeigt zwei Halos mit großer und offener Masse, die zwei verschmelzenden HM-Clustern entsprechen. Um und über das Volumen jeder Galaxie, jedes Clusters und massiver Materiecluster gibt es durchschnittlich fünfmal mehr TM.

2) Schwerkraftlinsen . Wenn Sie ein massives Objekt wie einen Quasar, eine Galaxie oder einen Galaxienhaufen betrachten, werden Sie sehen, wie seine Anwesenheit das Licht der dahinter liegenden Objekte verzerrt. Da wir die Gravitationsgesetze kennen, die von der allgemeinen Einstein-Relativitätstheorie gesteuert werden, basierend auf der Krümmung des Lichts, können wir die Menge der in jedem Objekt vorhandenen Masse berechnen. Dank einer ganzen Reihe verschiedener Methoden können wir die Menge an Masse bestimmen, die in normaler Materie vorhanden ist: Sterne, Gas, Staub, Schwarze Löcher, Plasma usw. Und wieder stellen wir fest, dass durchschnittlich 85% der Materie sich auf HM beziehen sollten, und außerdem ist HM im Gegensatz zu dichter normaler Materie diffuser und wolkenartiger verteilt. Dies wird sowohl durch schwache als auch durch starke Linsen bestätigt.


Die Struktur der Reliktstrahlung variiert je nach Inhalt des Universums

3) Reliktstrahlung . Wenn wir das verbleibende Leuchten der vom Urknall verbleibenden Strahlung untersuchen, können wir feststellen, dass es ungefähr gleichmäßig ist: 2,725 K in alle Richtungen. Wenn Sie sich mit den Details befassen, wird klar, dass es auf allen Winkelskalen winzige Unvollkommenheiten in der Größenordnung von zehn und Hunderten von Mikrometern aufweist. Diese Schwankungen sagen uns viele wichtige Dinge, einschließlich des Verhältnisses der Dichten von normaler Materie, dunkler Materie und dunkler Energie, aber das Wichtigste, worüber sie sprechen, ist, wie einheitlich das Universum im Alter von 0,003% des Stroms war und dann nur seine dichtesten Abschnitte 0,01% dichter als die am wenigsten dichte. Mit anderen Worten, dunkle Materie begann völlig einheitlich und wurde schließlich zusammengefasst!


Eine detaillierte Untersuchung des Universums legt nahe, dass es aus Materie besteht, aber nicht aus Antimaterie. dass dunkle Materie und dunkle Energie darin vorhanden sein müssen und dass die Quellen dieser mysteriösen Substanzen uns unbekannt sind. Schwankungen der CMB-Strahlung, die Bildung und Korrelation zwischen großräumigen Strukturen und modernen Beobachtungen von Gravitationslinsen - all dies konvergiert im selben Bild.

Nachdem wir all dies zusammengetragen haben, kommen wir zu dem Schluss, dass TM verpflichtet ist, sich wie eine Flüssigkeit zu verhalten, die das Universum durchdringt. Diese Flüssigkeit hat einen vernachlässigbaren Druck und eine vernachlässigbare Viskosität, reagiert auf Strahlungsdruck, kollidiert nicht mit Photonen oder normaler Materie, wurde kalt und nicht relativistisch geboren und verklumpt unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft. Es steuert die Bildung der Strukturen des Universums auf den größten Skalen. Es ist extrem inhomogen und das Ausmaß seiner Heterogenität nimmt mit der Zeit zu.



Hier ist, was wir dazu im größten Maßstab sagen können - wo es Beobachtungen gibt. Im kleinen Maßstab vermuten wir - sind uns aber nicht sicher -, dass dunkle Materie aus Partikeln besteht, deren Eigenschaften dazu führen, dass sie sich im großen Maßstab so verhält, wie es geschieht. Wir nehmen dies an, weil das Universum, soweit wir wissen, einfach aus Teilchen besteht, und das ist es! Wenn es Materie ist, wenn es Masse hat, dann hat es auch ein Quantendoppel - und auf einer bestimmten Ebene sollten es Teilchen sein. Aber bis wir dieses Teilchen direkt erkennen, haben wir keine Möglichkeit, eine andere Möglichkeit abzulehnen - dass TM ein bestimmtes Feld ist, das sich wie eine Flüssigkeit verhält, aber die Raumzeit auf die gleiche Weise beeinflusst wie Teilchencluster.


Die experimentellen Beschränkungen für dunkle Materie, die aus WIMPs bestehen , sind äußerst streng. Die niedrigste Kurve schließt TM-Querschnitte und -Massen für alles aus, was sich darüber befindet

Daher sind Versuche, TM direkt zu erkennen, so wichtig! Als Theoretiker, der zum Thema der Bildung großräumiger Strukturen promovierte, verstehe ich sehr gut, dass wir auf dem Gebiet der Vorhersage von Beobachtungen in großem Maßstab viel erreichen können. Was wir theoretisch nicht tun können, ist zu sagen, ob das TM aus Partikeln besteht oder nicht. Die einzige Möglichkeit, dies zu überprüfen, besteht darin, es direkt zu erkennen. Ohne dies können überzeugende indirekte Beweise gesammelt werden, die jedoch nicht schlüssig sind. Anscheinend hat es nichts mit dunkler Energie zu tun, da letztere im gesamten Raum wirklich gleichmäßig ist und die Vorhersagen uns ziemlich genau sagen, wie sie durch Schwerkraft und andere Wechselwirkungen in großem Maßstab interagiert.


Die Strömungen der Dunklen Materie steuern die Akkumulation von Galaxien und die Bildung großräumiger Strukturen - dies ist in dieser Simulation von KIPAC / Stanford zu sehen

Aber besteht es aus Partikeln? Bis wir dieses Teilchen entdecken, können wir nur darüber spekulieren. Das Universum demonstriert seine Quantenessenz, zumindest für alle Arten von Materie, daher ist es logisch anzunehmen, dass dunkle Materie dieselbe sein wird. Es sei jedoch daran erinnert, dass solche Überlegungen ihre Grenzen haben. Schließlich gehorcht am Ende alles und überall den gleichen Regeln, aber nur bis es aufhört, ihnen zu gehorchen! Mit TM befinden wir uns auf unbekanntem Gebiet, und es ist sehr wichtig, angesichts der großen Geheimnisse des Universums Bescheidenheit zu bewahren.