Ist Dunkle Materie weniger "lumpy" als vorhergesagt?

Don Lincoln ist leitender Wissenschaftler am Fermilab des US-Energieministeriums, der größten Forschungseinrichtung für Large Hadron Collider des Landes. Er schreibt auch über Wissenschaft für die Öffentlichkeit, einschließlich seiner jüngsten "Der Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die deinen Verstand umwerfen werden"(John Hopkins University Press, 2014). Sie können ihm folgen Facebook. Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science beigesteuert Experten-Stimmen: Op-Ed & Insights.

Solange wir Aufzeichnungen geführt haben, hat die Menschheit den Nachthimmel bewundert. Wir haben den Himmel betrachtet, um den Willen der Götter zu bestimmen und uns über die Bedeutung von allem zu wundern. Die bloßen 5.000 Sterne, die wir mit bloßem Auge sehen können, waren seit Jahrtausenden die Begleiter der Menschheit.

Moderne astronomische Einrichtungen haben uns gezeigt, dass das Universum nicht nur aus Tausenden von Sternen besteht - es besteht allein aus hunderten von Milliarden Sternen in unserer Galaxie mit Billionen von Galaxien. Observatorien haben uns über die Entstehung und Entwicklung des Universums gelehrt. Und am 3. August gab eine neue Einrichtung ihre erste inhaltliche Ankündigung und erweiterte unser Verständnis des Kosmos. Es erlaubt uns, das Unsichtbare zu sehen, und es zeigte sich, dass die Verteilung der Materie im Universum sich ein wenig von den Erwartungen unterschied.

Der Dark Energy Survey (DES) ist eine Kollaboration von etwa 400 Wissenschaftlern, die eine fünfjährige Mission zur Erforschung ferner Galaxien begonnen haben, um Fragen zur Geschichte des Universums zu beantworten. Es nutzt die Dark Energy Camera (DEC), die an dem Victor M. Blanco 4-Meter-Teleskop am Interamerikanischen Observatorium Cerro Tololo in den chilenischen Anden angebracht ist. DEC wurde in den USA am Fermilab in der Nähe von Batavia, Illinois, montiert und ist eine 570-Megapixel-Kamera, die Galaxien so weit abbilden kann, dass ihr Licht ein Millionstel so hell ist wie die dunkelsten sichtbaren Sterne.

Dunkle Energie und dunkle Materie

DES sucht nach dunkler Energie, einem vorgeschlagenen Energiefeld im Universum, das eine abstoßende Form der Schwerkraft ist. Während die Schwerkraft eine unwiderstehliche Anziehungskraft ausübt, treibt die dunkle Energie das Universum dazu, sich immer schneller auszudehnen. Ihre Wirkung wurde erstmals 1998 beobachtet, und wir haben immer noch viele Fragen zu ihrer Natur.

Durch die Messung des Standorts und der Entfernung von 300 Millionen Galaxien am südlichen Nachthimmel kann die Untersuchung jedoch wichtige Aussagen über ein weiteres astronomisches Rätsel machen, das man Dunkle Materie nennt. Es wird angenommen, dass die Dunkle Materie im Universum fünfmal häufiger vorkommt als die gewöhnliche Materie. Es interagiert jedoch nicht mit Licht, Radiowellen oder irgendeiner Form von elektromagnetischer Energie. Und es scheint sich nicht zu großen Körpern wie Planeten und Sternen zu vereinigen.

Es gibt keine Möglichkeit, die dunkle Materie (daher der Name) direkt zu sehen. Seine Auswirkungen können jedoch indirekt durch die Analyse der Geschwindigkeit von Galaxien beobachtet werden. Wenn Sie die Rotationsgeschwindigkeiten berechnen, die von der sichtbaren Masse der Galaxien unterstützt werden, werden Sie feststellen, dass sie sich schneller drehen, als sie sollten. Mit allen Rechten sollten diese Galaxien auseinander gerissen werden. Nach Jahrzehnten der Forschung haben Astronomen festgestellt, dass jede Galaxie dunkle Materie enthält, die die zusätzliche Gravitation erzeugt, die die Galaxien zusammenhält. [6 Weird Fakten über die Schwerkraft]

Dunkle Materie im Universum

Auf der viel größeren Skala des Universums ist das Studium einzelner Galaxien jedoch nicht ausreichend. Ein anderer Ansatz ist erforderlich. Dafür müssen Astronomen eine Technik namens Gravitationslinsen anwenden.

Gravitationslinsen wurde 1916 von Albert Einstein vorhergesagt und wurde erstmals 1919 von Sir Arthur Eddington beobachtet. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass die Gravitation, die wir erfahren, in Wirklichkeit von der Krümmung der Raumzeit verursacht wird. Da das Licht in einer geraden Linie durch den Raum wandert, wird es, wenn die Raumzeit gekrümmt ist, für einen Beobachter so aussehen, als würde das Licht einen gekrümmten Weg durch den Raum zurücklegen. [8 Möglichkeiten, Einsteins Relativitätstheorie im wirklichen Leben zu sehen]

Dieses Phänomen kann genutzt werden, um die Menge und Verteilung der Dunklen Materie im Universum zu untersuchen. Wissenschaftler, die in eine ferne Galaxie (die sogenannte Linsengalaxie) blicken, in der sich eine weitere Galaxie befindet (die so genannte beobachtete Galaxie), können ein verzerrtes Bild der beobachteten Galaxie sehen. Die Verzerrung hängt mit der Masse der Linsengalaxie zusammen. Da die Masse der Linsengalaxie eine Kombination aus sichtbarer Materie und dunkler Materie ist, können Wissenschaftler durch Gravitationslinseneffekte die Existenz und Verteilung von Dunkler Materie auf Skalen, die so groß wie das Universum selbst sind, direkt beobachten. Diese Technik funktioniert auch, wenn eine große Gruppe von Vordergrundgalaxien die Bilder von Clustern noch entfernterer Galaxien verzerrt, was die Technik ist, die für diese Messung verwendet wird.

Klumpig oder nicht?

Die DES-Kollaboration hat kürzlich eine Analyse mit genau dieser Technik veröffentlicht. Das Team betrachtete eine Stichprobe von 26 Millionen Galaxien in vier verschiedenen Entfernungen von der Erde. Die näheren Galaxien lenkten diejenigen, die weiter entfernt waren. Indem sie diese Technik nutzten und die Verzerrung der Bilder aller Galaxien sorgfältig untersuchten, konnten sie die Verteilung der unsichtbaren Dunklen Materie und ihre Bewegung über die letzten 7 Milliarden Jahre oder die Hälfte der Lebensdauer der Galaxie kartieren Universum.

Wie erwartet, fanden sie heraus, dass die dunkle Materie des Universums "klumpig" war. Es gab jedoch eine Überraschung - es war etwas weniger klumpig als vorherige Messungen vorhergesagt hatten.

Eine dieser widersprüchlichen Messungen stammt von dem Restfunksignal aus der frühesten Zeit nach dem Urknall, dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB). Das CMB enthält die Energieverteilung im Kosmos, als es 380.000 Jahre alt war.Im Jahr 1998 gab die Cosmic Background Explorer (COBE) -Kollaboration bekannt, dass der CMB nicht perfekt einheitlich war, sondern stattdessen heiße und kalte Punkte aufwies, die sich von der Einheitlichkeit um 1 Teil von 100.000 unterschieden. Die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) und die Planck-Satelliten bestätigten und verfeinerten die COBE-Messungen.

In den 7 Milliarden Jahren zwischen der Emission des CMB und dem von DES untersuchten Zeitraum haben diese heißeren Regionen des Universums die Bildung der Struktur des Kosmos gesät. Die ungleichmäßige Energieverteilung, die im CMB erfasst wurde, führte in Kombination mit der verstärkenden Schwerkraft dazu, dass einige Punkte im Universum dichter und andere weniger wurden. Das Ergebnis ist das Universum, das wir um uns herum sehen.

Die CMB sagt die Verteilung der Dunklen Materie aus einem einfachen Grund voraus: Die Verteilung der Materie in unserem Universum in der Gegenwart hängt von ihrer Verteilung in der Vergangenheit ab. Wenn es in der Vergangenheit eine Ansammlung von Materie gegeben hätte, würde diese Materie in der Nähe liegende Materie anlocken und der Klumpen würde wachsen. Auch wenn wir in die ferne Zukunft projizieren würden, würde die Verteilung der Materie heute aus dem gleichen Grund Auswirkungen auf die Zukunft haben.

So haben Wissenschaftler Messungen des CMB 380.000 Jahre nach dem Urknall verwendet, um zu berechnen, wie das Universum 7 Milliarden Jahre später aussehen sollte. Als sie die Vorhersagen mit den Messungen von DES verglichen, stellten sie fest, dass die DES-Messungen etwas weniger klumpig waren als die Vorhersagen.

Unvollständiges Bild

Ist das eine große Sache? Könnte sein. Die Unsicherheit oder der Fehler in den beiden Messungen ist groß genug, dass sie statistisch nicht widersprüchlich sind. Das bedeutet einfach, dass niemand sicher sein kann, dass die beiden Messungen wirklich nicht übereinstimmen. Es könnte sein, dass die Diskrepanzen zufällig aus statistischen Schwankungen der Daten oder kleinen nicht berücksichtigten instrumentellen Effekten entstehen.

Selbst die Autoren der Studie würden hier Vorsicht walten lassen. Die DES-Messungen wurden noch nicht von Experten überprüft. Die Beiträge wurden zur Veröffentlichung eingereicht und die Ergebnisse wurden auf Konferenzen präsentiert, aber feste Schlussfolgerungen sollten warten, bis die Schiedsrichterberichte eintreffen.

Also, was ist die Zukunft? DES hat eine Fünf-Jahres-Mission, von der vier Jahre Daten aufgezeichnet wurden. Das kürzlich veröffentlichte Ergebnis verwendet nur die Daten des ersten Jahres. Neuere Daten werden noch analysiert. Darüber hinaus wird der gesamte Datensatz 5.000 Quadratgrad des Himmels abdecken, während das jüngste Ergebnis nur 1.500 Quadratgrad abdeckt und nur die Hälfte der Zeit zurückliegt. Somit ist die Geschichte eindeutig nicht vollständig. Eine Analyse des vollständigen Datensatzes wird nicht vor 2020 erwartet.

Die heutigen Daten könnten jedoch bedeuten, dass unser Verständnis der Evolution des Universums möglicherweise angespannt ist. Und selbst wenn diese Spannung verschwindet, wenn mehr Daten analysiert werden, führt die DES-Kollaboration weitere Messungen durch. Denken Sie daran, dass die Buchstaben "DE" im Namen für dunkle Energie stehen. Diese Gruppe wird uns eventuell etwas über das Verhalten der Dunklen Energie in der Vergangenheit erzählen und was wir in der Zukunft erwarten können. Diese jüngste Messung ist nur der Anfang einer wissenschaftlich faszinierenden Zeit.

Diese Version des Artikels wurde ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.

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