Dunkle Materie kann eine „dunkle Kraft“ spüren, die der Rest des Universums nicht tut

Astronomen, die Galaxien kollidieren sahen, fanden Beweise für nicht-gravierende Kräfte, die auf dunkle Materie schließen lassen könnten

Nach jahrzehntelangem Studium der dunklen Materie haben Wissenschaftler wiederholt Beweise dafür gefunden, was es nicht sein kann, aber nur sehr wenige Anzeichen dessen, was es ist. Das könnte sich gerade geändert haben. Eine Studie von vier kollidierenden Galaxien zum ersten Mal legt nahe, dass die dunkle Materie in ihnen möglicherweise durch eine unbekannte Kraft außer der Schwerkraft interagiert, die keine Auswirkung auf die normale Materie hat. Der Befund könnte ein wichtiger Hinweis darauf sein, was das unsichtbare Zeug umfasst, von dem angenommen wird, dass es 24 Prozent des Universums trägt.

"Dieses Ergebnis könnte, wenn es bestätigt wird, unser Verständnis der Dunklen Materie verbessern", sagt der Physiker Don Lincoln vom Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, der nicht an der Forschung beteiligt war. Sogenannte „selbst wechselwirkende dunkle Materie“ wurde schon vor einiger Zeit vorgeschlagen, im Allgemeinen wurde sie jedoch als unorthodox angesehen. Das einfachste Modell der dunklen Materie stellt es als ein einzelnes Teilchen dar - eines, das mit anderen seiner Art und normaler Materie sehr wenig oder überhaupt nicht interagiert. Physiker bevorzugen die grundlegendsten Erklärungen, die zur Rechnung passen, und fügen zusätzliche Komplikationen nur dann hinzu, wenn dies erforderlich ist. Daher ist dieses Szenario am beliebtesten. Damit dunkle Materie mit sich selbst in Wechselwirkung treten kann, benötigt sie nicht nur dunkle Materieteilchen, sondern auch eine dunkle Kraft, um ihre Wechselwirkungen zu steuern, und dunkle Bosonteilchen, um diese Kraft zu tragen. Dieses komplexere Bild spiegelt unser Verständnis von Partikeln normaler Materie wider, die durch Kraft tragende Partikel interagieren. Zum Beispiel interagieren Protonen durch die elektromagnetische Kraft, die von Teilchen, den sogenannten Photonen (Lichtteilchen), getragen wird.

Jetzt berichten Wissenschaftler von Richard Massey an der Durham University in England in Monatliche Bekanntmachungen der Royal Astronomical Society Die ersten Anzeichen, dass dunkle Kräfte und dunkle Bosonen wirklich existieren könnten. Die Forscher verwendeten das Instrument MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope in Chile zusammen mit dem Hubble-Weltraumteleskop zur Untersuchung des Abell 3827-Clusters, wo vier Galaxien in einem kosmischen Autounfall zusammenstoßen.

Um herauszufinden, wo die unsichtbare dunkle Materie liegt, nutzten die Astronomen ein natürliches Phänomen, das Gravitationslinsen genannt wird, das von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Objektivierung tritt auf, wenn die Raumzeit durch die Masse verzerrt wird, wodurch Licht, das durch diesen gebogenen Bereich strömt, einen gekrümmten Pfad nimmt. Die dunkle Materie in Abell 3827 ist reichlich vorhanden, so dass der Raum um sie herum erheblich verzerrt wird. Wenn Licht von einem weit entfernten Objekt hinter dem Cluster zur Erde gelangt, durchdringt es diesen verzerrten Bereich und erzeugt verräterische Anzeichen für Linsen, wie Lichtbögen und Doppelbilder, die Astronomen verwendet haben, um die unsichtbare Materie im Cluster zu "wiegen". Die Wissenschaftler fanden heraus, dass in mindestens einer der kollidierenden Galaxien die dunkle Materie in der Galaxie um etwa 5.000 Lichtjahre von ihren Sternen und anderen sichtbaren Materie getrennt wurde. Eine Erklärung ist, dass die Dunkle Materie aus dieser Galaxie mit der Dunklen Materie einer der anderen Galaxien interagierte, die durch sie flogen, und diese Wechselwirkungen bremsten sie ab, wodurch sie sich von der normalen Materie abtrennte und hinterherlief.

Die Wechselwirkungen wären ähnlich wie bei zwei Protonen, die sich nahe beieinander bewegen. Jeder setzt ein Photon frei, das vom anderen absorbiert wird, wodurch beide Partikel zurückspringen. Diese Abstoßungskraft tritt zwischen zwei beliebigen Partikeln mit der gleichen elektromagnetischen Ladung auf und kann auch zwischen zwei beliebigen Partikeln der dunklen Materie auftreten. Da dunkle Materie jedoch nicht von der elektromagnetischen Kraft beeinflusst wird, kann nur eine neue "dunkle" Kraft, die von einem sogenannten Dunkelphoton getragen wird, die Abstoßung bewirken. Es könnte auch sein, dass nur ein Teil der dunklen Materie mit sich selbst interagiert, während der Großteil davon ein eher traditioneller Typ mit einzelnen Partikeln ist. "Es scheint ziemlich gut für unsere Art von Modell zu sein, bei dem nur ein kleiner Teil der dunklen Materie interagiert", sagt die Physikerin der Harvard University, Lisa Randall, die sich ein solches Modell vorgestellt hat.

Die Studienleiter sind vorsichtig bei der Interpretation ihrer Beobachtungen. "Das ist sehr, sehr aufregend, weil es die erste potenzielle Erkennung von nicht-gravitativen Wechselwirkungen ist, aber wir müssen dies in mehr dieser Objekte sehen", sagt Teammitglied David Harvey von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz. „Das ist keineswegs bestätigt.“ Es ist zum Beispiel möglich, dass das von den Teleskopen beobachtete Muster durch extra dunkle Materie außerhalb des Clusters verursacht wurde, jedoch entlang der Sichtlinie der Erde und nicht durch selbst interagierende dunkle Materie. "Dies ist eine der Situationen, in denen es so unglaublich aufregend sein würde, wenn es sich dabei um eine dunkle Angelegenheit handelt, dass jeder ein bisschen vorsichtig sein muss, wenn es darum geht, einfach so", sagt der Physiker Neal Weiner von New York University, die an der Studie nicht beteiligt war.

Selbst wechselwirkende dunkle Materie mit dunklen Kräften und dunklen Photonen ist möglicherweise nicht so einfach wie die Erklärung der einzelnen Teilchen, aber sie ist eine ebenso vernünftige Idee, sagt Weiner. „Die stärkste Motivation, dunkle Materie für ihre eigenen Wechselwirkungen in Betracht zu ziehen, ist einfach das, wenn wir das Standardmodell betrachten“, das alle bekannten Teilchen und Kräfte beschreibt. „Wir sehen, dass es voll ist mit allen möglichen unterschiedlichen Wechselwirkungen. Es scheint ganz natürlich, dass dunkle Materie ihre eigene Kraft haben könnte. “Dieser Aufbau könnte auch einige kleine Diskrepanzen zwischen den Vorhersagen des Einzelteilchenmodells und den tatsächlich beobachteten Beobachtungen der Astronomen erklären. Beispielsweise sagt das Einzelpartikelmodell, dass die Zentren von Galaxien dichter sein sollten als sie tatsächlich sind; Wenn dunkle Materie mit sich selbst in Wechselwirkung tritt, neigt sie dazu, in galaktischen Kernen zu kollidieren und wegzustoßen.

Bisher haben sich bei anderen Galaxienkollisionen keine Anzeichen für eine selbst wechselwirkende dunkle Materie gezeigt. Eine andere bekannte Absturzstelle, der Bullet Cluster, war einer der ersten, der starke Beweise für das Vorhandensein von dunkler Materie lieferte, da Gravitationslinsen zeigen, dass sich die Masse des Clusters an einem anderen Ort befindet als die sichtbare Materie. Aber die Trennung ist nicht groß genug, um darauf hinzuweisen, dass die dunkle Materie interagiert. "Das Ergebnis steht nicht in Konflikt mit dem Bullet Cluster", sagt Maruša Brada von der University of California, Davis, einer der Anführer der ursprünglichen Bullet Cluster-Studie von 2006, da dieses Beispiel nur eine Obergrenze für die Interaktion darstellt . Und noch eine neuere Studie, die von Harvey angeführt und im März in veröffentlicht wurde Wissenschaftbefragten 72 Kollisionen von Galaxienhaufen und fanden auch keine Anzeichen von selbst wechselwirkender dunkler Materie. Die Ziele dieser Studie sowie des Bullet-Clusters sind kollidierende Galaxienhaufen - nicht einzelne Galaxien, die zusammenstoßen wie in Abell 3827. Einzelne Galaxien kollidieren mit niedrigeren Geschwindigkeiten als ganze Cluster, und dies könnte die Partikel der dunklen Materie mehr gegeben haben Zeit miteinander zu interagieren und zu verlangsamen. Der wahre Test wird sich ergeben, wenn Astronomen andere Zungen der einzelnen Galaxien betrachten. "Es gibt andere Cluster, die wir betrachten können, die sich in ähnlichen Zuständen befinden, aber keiner ist so perfekt wie dieser", sagt Harvey. "Aber bei zukünftigen Umfragen können wir diese Objekte hoffentlich sehen."

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