Fragen Sie Ethan: Wenn dunkle Materie überall ist, warum haben wir sie nicht im Sonnensystem gefunden?

Der Lichthof der Verklumpung dunkler Materie mit unterschiedlichen Dichten und die riesige, diffuse Struktur, die die Simulationen vorhersagen. Für die Skalierung wird der helle Teil der Galaxie angezeigt. Da dunkle Materie überall ist, muss sie auch in unserem Sonnensystem sein. Warum haben wir sie noch nicht gesehen?

Nach der enormen Menge an Beweisen besteht der größte Teil des Universums aus einer bestimmten Masse eines mysteriösen Typs, die wir nie direkt gemessen haben. Protonen, Neutronen und Elektronen - und im Allgemeinen alle Materie, die aus Teilchen besteht, die im Standardmodell enthalten sind -, aus denen Planeten, Sterne und Galaxien bestehen, die wir im gesamten Universum entdecken, machen nur 15% ihrer Gesamtmasse aus. Der Rest besteht aus etwas völlig anderem: kalter dunkler Materie . Aber wenn dunkle Materie überall und in großen Mengen vorhanden ist, warum haben wir sie dann nicht im Sonnensystem gesehen? Dies ist die Frage, die unser Leser stellt:

Alle Hinweise auf das Vorhandensein von dunkler Materie und dunkler Energie beziehen sich auf den fernen Kosmos. Es ist ziemlich verdächtig, dass wir hier in unserem Sonnensystem keine Beweise für ihre Existenz sehen. Niemand hat jemals Anomalien in den Umlaufbahnen der Planeten gemeldet. Sie wurden jedoch sehr genau gemessen. Wenn das Universum zu 95% dunkel ist, können solche Effekte lokal gemessen werden.

Ist es so? Dies war einer der ersten Gedanken, die mir in den Sinn kamen, als ich vor 17 Jahren zum ersten Mal von dunkler Materie (TM) erfuhr. Lassen Sie es uns herausfinden und die Wahrheit herausfinden.



Das kosmische Netz aus dunkler Materie und die großräumige Struktur, die es bildet. Normale Materie ist vorhanden, aber nur 1/6 der Gesamtmenge an Materie. Die verbleibenden 5/6 sind dunkle Materie, und keine Menge gewöhnlicher Materie kann damit umgehen.

Die Hauptidee von TM ist, dass irgendwann in einem sehr jungen Universum, bevor Galaxien, Sterne oder sogar neutrale Atome auftauchten, ein nahezu perfektes und glattes Meer von TM im gesamten Raum verteilt war. Im Laufe der Zeit durchliefen die Schwerkraft und andere Kräfte mehrere miteinander verbundene Phasen:

• Alle Materie, normal und dunkel, wird von der Schwerkraft angezogen.
• Gebiete mit einer überdurchschnittlichen Dichte wachsen und ziehen beide Arten von Materie an.
• Strahlung kollidiert mit normaler Materie und drückt darauf,
• aber mit TM passiert dies nicht, zumindest nicht genau auf die gleiche Weise.

Dies erzeugt ein sehr genaues Bild von Gebieten mit hoher und niedriger Dichte im Universum; Ein Muster, das erscheint, wenn wir die Reliktstrahlung (RI) betrachten.



RI-Schwankungen sind so gering und so charakteristisch, dass sie überzeugend darauf hinweisen, dass das Universum am Anfang überall die gleiche Temperatur hatte und auch dunkle Materie, gewöhnliche Materie und dunkle Energie in bestimmten Anteilen enthielt.

RI ist das verbleibende Leuchten des Urknalls: die Strahlung, die in unsere Augen fiel und den Weg von dem Moment an zurückgelegt hat, als sich im Universum zum ersten Mal stabile neutrale Atome gebildet haben. Heute beobachten wir eine Fotografie des Universums beim Übergang von einem ionisierten Plasma zu einem elektrisch neutralen Satz von Atomen, wenn der Strahlungsdruck vernachlässigbar wird. Kalte Gebiete entsprechen Regionen mit erhöhter Dichte, da Strahlung zusätzliche Energie (überdurchschnittlich) verbrauchen muss, um aus diesen Schwerkraftbohrungen herauszukommen. Hot Spots - Regionen mit reduzierter Dichte.



Die Gebiete mit hoher, mittlerer und niedriger Dichte, die existierten, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war, entsprechen jetzt den kalten, mittleren und heißen Teilen von RI

Das Zeichnen von kalten und heißen Bereichen auf allen Skalen, die wir beobachten können, und die Korrelation zwischen ihnen sagen etwas über die Zusammensetzung des Universums aus: 68% Dunkle Energie, 27% TM, 5% normale Materie. Im Laufe der Zeit wuchsen diese Gebiete mit erhöhter Dichte zu Sternen, Sternhaufen, Galaxien und galaktischen Clustern, und Gebiete mit verringerter Dichte gaben ihre Materie an die sie umgebenden Gebiete mit erhöhter Dichte ab. Und obwohl wir nur normale Materie sehen können, weil sie Licht und andere Arten von Strahlung emittiert und mit diesen interagiert, ist HM die dominierende Kraft, die für das Gravitationswachstum der Strukturen des Universums verantwortlich ist.



Eine sorgfältige Untersuchung des Universums zeigt, dass es aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, dass TM und dunkle Energie notwendig sind und dass wir die Quellen all dieser Geheimnisse nicht kennen. RI-Schwankungen, die Bildung und Korrelationen zwischen großräumigen Strukturen und moderne Beobachtungen von Gravitationslinsen weisen jedoch auf dasselbe Bild hin.

Da normale Materie mit sich selbst interagiert, tritt der Gravitationskollaps für normale und dunkle Materie auf unterschiedliche Weise auf. Ein unter dem Einfluss der Schwerkraft angesammelter Klumpen normaler Materie beginnt zu schrumpfen. Die Komprimierung durchläuft zunächst die kürzeste Dimension, aber normale Materie interagiert und kollidiert mit anderen Partikeln normaler Materie - genau wie Ihre Hände, obwohl sie aus Atomen bestehen, die fast leer sind, klatschen sie, wenn Sie versuchen, einen Arm zu halten durch einen anderen. Diese Wechselwirkung führt zum Erscheinen einer rotierenden Materiescheibe - alles fließt von ihr, von Scheibengalaxien (Spiralgalaxien) zu Sonnensystemen, deren Planeten sich in Bahnen bewegen, die in derselben Ebene liegen. Dunkle Materie kollidiert dagegen nicht mit sich selbst oder mit normaler Materie, wodurch sie in Form eines großen und extrem spärlichen Halos verbleibt. Und obwohl es mehr dunkle Materie als gewöhnlich gibt, ist ihre Dichte zum Beispiel in unserer Galaxie an den Orten, an denen es Sterne gibt, viel geringer.



Während der Erdumdrehung um die Sonne ändert sich unsere Bewegung durch TM in unserer Galaxie, daher sollte sein Lichthof verschiedene Wechselwirkungseigenschaften aufweisen

Und jetzt kommen wir zum Hauptthema. Wie wirkt sich TM auf das Sonnensystem aus? Das meiste, was Sie sich wahrscheinlich vorstellen, wird auf die eine oder andere Weise wahr sein: TM-Partikel müssen überall im Weltraum fliegen, einschließlich des gesamten Weltraums der Milchstraße. Und das bedeutet, dass TM im Sonnensystem sein muss, in der Sonne, durch unseren Planeten und unseren Körper gehen muss. Die große Frage lautet wie folgt: Welche Masse von TM wird uns im Vergleich zu den Massen der Sonne, Planeten und anderen Objekten des Sonnensystems interessieren?



Im Sonnensystem werden in erster Näherung die Umlaufbahnen der Planeten von der Sonne bestimmt. In zweiter Näherung spielen alle anderen Massen (Planeten, Monde, Asteroiden usw.) eine große Rolle. Aber um hier auch TM hinzuzufügen, müssen Sie die Genauigkeit erheblich erhöhen.

Um zu antworten, müssen wir zuerst verstehen, was die Umlaufbahnen von Objekten in unserem Sonnensystem bestimmt. Mit großem Abstand wird die Sonne die dominierende Masse im Sonnensystem sein. Mit einer sehr genauen Näherung bestimmt es die Umlaufbahnen der Planeten. Aber für die Venus wird der Planet Merkur intern sein, und in erster Näherung wird die Umlaufbahn der Venus durch die Gesamtmasse von Sonne und Merkur bestimmt. Die Umlaufbahn des Jupiter wird durch die Summe der Masse der Sonne und aller inneren Planeten sowie des Asteroidengürtels bestimmt. Für jedes Objekt als Ganzes wird seine Umlaufbahn durch die Gesamtmasse bestimmt, die in einer in der Sonne zentrierten imaginären Kugel und diesem Objekt am Rand der Kugel eingeschlossen ist.



In der Allgemeinen Relativitätstheorie beeinflusst im Fall einer gleichmäßigen Verteilung von TM (oder einer beliebigen Masse) im Raum nur die in seiner Umlaufbahn eingeschlossene Masse die Bewegung eines Objekts; eine homogene Masse außerhalb der Umlaufbahn beeinflusst nichts [Satz von Birkhoff / ca. perev.]

Wenn ein Meer von HM den gesamten Raum durchdringt, in dem Sie und ich uns befinden - das gesamte Sonnensystem -, sollten die äußeren Planeten mit einer etwas größeren Masse interagieren als die inneren. Und wenn es viel TM gibt, muss es eine Möglichkeit geben, es zu erkennen. Da wir die Masse der Milchstraße, die relative Dichte von normaler und dunkler Materie kennen und Simulationen haben, die zeigen, wie sich die Dichte von TM verhalten sollte, können wir sehr gute Schätzungen geben. Und nach Durchführung solcher Berechnungen stellt sich heraus, dass etwa 10 ¹³ kg HM die Erdumlaufbahn und 10 ¹⁷ kg die Umlaufbahn eines Planeten wie Neptun beeinflussen sollten.

Aber diese Zahlen sind winzig im Vergleich zu allen anderen Massen! Die Masse der Sonne beträgt 2 × 10 ³⁰ kg, die Masse der Erde 6 × 10 ²⁴ . Die Massen, die wir im Intervall 10 ¹³ - 10 ¹⁷ kg erwähnt haben, sind vergleichbar mit der Masse eines bescheidenen Asteroiden. Vielleicht werden wir eines Tages das Sonnensystem so genau verstehen können, dass wir so kleine Unterschiede erkennen können, aber bisher haben wir diesen Fehler um das 100.000-fache überschritten .



Unsere Galaxie befindet sich im riesigen und verstreuten Lichthof von TM, daher muss das TM im Sonnensystem fließen. Die Dichte ist jedoch extrem niedrig, so dass es sehr schwierig ist, sie lokal zu erkennen.

Mit anderen Worten, das TM muss sich im Sonnensystem befinden und die Bewegung der äußeren Planeten nicht wie die Bewegung der inneren Planeten beeinflussen, da sich die Masse in einer Kugel befindet, die in der Sonne zentriert ist, und ein Radius in der Entfernung zum Planeten. Sie könnten an der Frage interessiert sein, ob die Interaktion vieler Körper, nämlich TM, Planeten und der Sonne, zur Erfassung einer zusätzlichen Menge TM führen kann. Dies ist ein interessantes Problem, und ich habe vor ungefähr 10 Jahren eine Arbeit zu diesem Thema geschrieben. Meine Kollegen und ich haben festgestellt, dass die Dichte von TM sehr stark zunehmen kann, aber nur, wenn Sie nicht berücksichtigen, dass die eingefangene Masse sehr wahrscheinlich zurückgeworfen wird. Aber selbst bei einem solchen Anstieg liegt die maximale Masse von TM nach 4,5 Milliarden Jahren (Magenta in der Grafik) immer noch weit unter allen beobachteten Einschränkungen.



Die Anzahl der galaktischen HM in den Umlaufbahnen der Planeten mit unterschiedlichem Radius unseres Sonnensystems (blau) und die Gesamtzahl der HM, die über die gesamte Lebensdauer des Sonnensystems ohne Berücksichtigung seiner Emissionen hätte erfasst werden sollen, sowie die beste Grenze aus der Arbeit von 2013 , nach der maximalen Anzahl von TM, die im Prinzip bei uns sein kann. Wir haben noch nicht die Möglichkeit erreicht, die Verfügbarkeit zu überprüfen.

In unserem Sonnensystem gibt es wirklich TM, und es sollte einen echten Einfluss auf alle anderen Materieteilchen in seiner Umgebung haben. Wenn es eine Wechselwirkung zwischen Partikeln normaler und dunkler Materie gibt, sollte es in direkten Detektionsexperimenten möglich sein, diese direkt auf der Erde zu detektieren. Und wenn nicht, sollten die Gravitationseffekte des TM, das das Sonnensystem durchläuft, sowohl eingefangen als auch frei gravitativ, die Umlaufbahnen der Planeten beeinflussen. Solange unsere Messungen nicht genau genug sind, reicht dieser Gravitationseffekt für eine direkte Detektion nicht aus. Bisher müssen wir das Universum außerhalb des Sonnensystems betrachten, um die Wirkung von TM auf die Raumzeit zu beobachten.