Eine Theorie der Dunklen Materie

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Dunkle und normale Materie sind bei der gigantischen Kollision zweier großer Galaxiencluster voneinander getrennt worden. Die Galaxien hat man im Optischen beobachtet (in orangefarben und weiß gezeigt). Der Großteil an normaler Materie in den beiden Clustern (pinkfarben) ist mit Gas in Verbindung zu bringen, das bei der Kollision aufgeheizt wurde. Die Dunkle Materie ist nicht sichtbar, wurde aber mit Hilfe von Gravitationslinseneffekten abgeleitet (blau); die Dunkle Materie hinkte der normalen Materie bei dem Zusammenprall hinterher. Die im Jahr 2008 mit dem Chandra-Röntgen-Observatorium der NASA und anderer Teleskope gemachte Entdeckung liefert zusätzliche Belege für die Existenz von Dunkler Materie. NASA und das Chandra X-ray Observatory

 

Zu den erstaunlichsten, gänzlich unerwarteten und wichtigsten Feststellungen des vergangenen Jahrhunderts (oder sogar mehrerer Jahrhunderte) gehört die Entdeckung von Dunkler Materie und Dunkler Energie, zusammen als „Dunkler Sektor“ bezeichnet. Sage und schreibe 96% der Natur, die unser Universum ausmacht, gehört zu diesem Dunklen Sektor; in diesem Zusammenhang bezieht sich Natur auf alles, daß die Entwicklung und die großräumigen Eigenschaften des Kosmos kontrolliert. Dunkle Materie ist unsichtbare Materie – unsichtbar in dem Sinne, daß sie keine meßbare elektromagnetische Strahlung (Licht, Radiowellen, usw.) aussendet – aber sie ist dennoch zweifelsfrei entdeckt worden, da ihre Schwerkraft meßbare Auswirkungen auf Sterne hat, Objekte, die wir sehen können. Von der Materie im Universum bestehen unglaubliche 90% aus Dunkler Materie; Galaxien und Sterne sind nur kleine Bestandteile. Wir wissen nicht, was Dunkle Materie ist, nur so viel, daß sie so gut wie sicher aus einer Art von Elementarteilchen besteht, die aber anders als diejenigen sind, welche normale Atome aufbauen.

Auf der anderen Seite ist die Dunkle Energie keine wie auch immer geartete Form von Materie (noch ist sie im wörtlichen Sinne „Dunkel“ – dies ist nur eine bildhafte Ausdrucksweise dafür, daß sie rätselhaft ist). Dunkle Energie ist die Quelle der nach außen gerichteten Beschleunigung des Universums. Beruhend auf vernünftigen Annahmen von unserem heutigen Verständnis der Elementarteilchenphysik, könnte die Dunkle Energie aus dem Vakuum auftauchen. Dieses weist Quanteneigenschaften auf, die Energie in das Weltall abgeben. Dunkle Energie könnte auch ein Merkmal der Gravitation sein, die auf großen Skalen kosmische Abstoßung hervorruft.

In Nummer 79 von Physical Review D haben vier Wissenschaftler in einem Artikel eine mögliche Erklärung für die Dunkle Materie veröffentlicht. Sie können näherungsweise diese merkwürdige Dunkle Materie beschreiben, indem sie einen ebenso seltsamen Vorschlag machen: die Existenz einer neuen Naturkraft. Es gibt nur vier bekannte Kräfte in der Welt: die vertraute Schwerkraft und die elektromagnetische Kraft sowie zwei Kräfte, deren Geltungsbereich sich auf die Größe des Atomkerns beschränkt und allgemein weniger bekannt sind: die starke und schwache Kernkraft. Soweit wir wissen, sind dies die die einzigen Kräfte und Wissenschaftler unterstellen im Allgemeinen, daß diese vier Grundkräfte letztlich den Dunklen Sektor genauso erklären werden, sobald einige zusätzliche Feinheiten der Teilchenphysik mit der neuen Generation an Teilchenbeschleunigern bestätigt sind.

In ihrer neuen Arbeit bauen die Wissenschaftler auf den Daten aus fünf verschiedenen, kürzlich durchgeführten astronomischen Messungen auf; die meisten davon untersuchten energiereiche Vorgänge in der Astronomie. Diese Messungen erbrachten verwirrende Ergebnisse, davon eines, bei dem ein großer Überschuß an hochenergetischen Elektronen und Positronen im All gefunden wurde. Diese Teilchen können nicht einfach nur durch ihre konventionelle Herkunft, den Stoßfronten von Supernovae, erklärt werden. Jedoch könnten sie als Folge der Selbstvernichtung von Teilchen der Dunklen Materie entstehen, die, wie alle bekannten Formen der normalen Materie, in Paaren auftreten sollte, die sich bei Kontakt selbst zerstören. Auch ohne Kenntnis des Wesens der Dunklen Materie kann man diskutieren, wie sie sich verhalten sollte, ohne daß sie in Widerspruch zu anderen, bekannten Prinzipien und Beobachtungen gerät.

Beim Ausarbeiten ihrer selbstkonsistenten Theorie der Dunklen Materie kommt die Gruppe zu dem Ergebnis, daß ihre Theorie eine neue, fünfte Naturkraft mit sich bringt. Obwohl es sich um eine extravagante Lösung zu handeln scheint, argumentieren die Wissenschaftler jedoch, daß es in Wirklichkeit eine ziemlich einfache Lösung ist; sie fügt sich in ein vernünftiges (wenn auch neues) Bild der Teilchenphysik ein und scheint zufällig eine Zahl voneinander unabhängiger Probleme zu lösen. Die neuen Ideen würden unser Verständnis vom Universum revolutionieren, wenn sie bestätigt werden sollten. Diese Veröffentlichung, welche die grundlegenden Zutaten des neuen Modells umreißt, liefert einen greifbaren ersten Schritt zur Theorie der Dunklen Materie, den die jetzt folgende Forschung entweder widerlegen … oder bestätigen kann.

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