Woher kommt dunkle Materie? Gibt es im Universum etwas Geheimnisvolleres als dunkle Materie?

Wissenschaftler spekulieren, dass es in diesem riesigen Universum eine geheimnisvolle Substanz gibt, die man weder sehen noch berühren kann, die jedoch wie ein Geist jeden Winkel des Universums durchdringt und eine entscheidende Rolle bei der Evolution des Universums spielt. Es handelt sich um „dunkle Materie“.

Als der Astronom Fritz Zwicky in den 1930er Jahren den Coma-Galaxienhaufen untersuchte, entdeckte er, dass sich die Galaxien in diesem Haufen viel schneller bewegten als vorgesehen. Dies bedeutet, dass im Galaxienhaufen mehr Masse vorhanden sein müsste, um zusätzliche Schwerkraft bereitzustellen und die Galaxien in Bewegung zu halten. Zwicky spekulierte, dass es sich bei dieser zusätzlichen Masse um eine unsichtbare Substanz handeln könnte, die er „Dunkle Materie“ nannte. Allerdings stagnierte die Erforschung der Dunklen Materie seitdem bis in die 1970er Jahre, als die amerikanische Astronomin Vera Rubin die Rotationskurven von Spiralgalaxien untersuchte. Sie entdeckte, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der äußeren Sterne von Spiralgalaxien mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der Galaxie nicht abnahm, was im Widerspruch zu Newtons Gravitationsgesetz stand. Eine Möglichkeit besteht darin, dass in der Galaxie eine große Menge dunkler Materie vorhanden ist, die für zusätzliche Schwerkraft sorgt und es den äußeren Sternen ermöglicht, sich mit solch hoher Geschwindigkeit zu bewegen.

Dunkle Materie wird als „dunkle“ Materie bezeichnet, weil sie nicht mit elektromagnetischer Kraft interagiert und kein Licht emittieren, reflektieren oder absorbieren kann. Daher haben wir keine Möglichkeit, es mit herkömmlichen optischen Teleskopen zu beobachten. Aus diesem Grund befindet sich die Dunkle Materie noch immer im theoretischen Hypothesenstadium. Wenn Licht durch einen massereichen Himmelskörper fällt, wird es durch die Schwerkraft des Himmelskörpers abgelenkt. Dieses Phänomen ähnelt der Beobachtung eines Objekts durch eine konvexe Linse, daher der Name „Gravitationslinse“. Befindet sich dunkle Materie im Weg des Lichts, führt die Schwerkraft der dunklen Materie ebenfalls zu einer Krümmung des Lichts. Durch die Analyse des Ausmaßes dieser Verzerrung können Wissenschaftler die Masse und Verteilung der dunklen Materie im Galaxienhaufen berechnen.

Aus dieser Perspektive kann man sagen, dass dunkle Materie sehr mysteriös ist. Gibt es im Universum also etwas Geheimnisvolleres als dunkle Materie?

Wissenschaftler haben berechnet, dass die beobachtbare Materie im Universum nur etwa 5 % des gesamten Universums ausmacht, während die dunkle Materie etwa 27 % des gesamten Universums ausmacht. Aufgrund der Gravitationswirkung schließen Menschen darauf, dass es Masse hat. Aber abgesehen von seiner Masse haben wir keine Möglichkeit, diese Materie zu beobachten und zu untersuchen. Aber das ist immer noch gut, zumindest wissen wir, dass diese 27 % immer noch Materie sind. Die anderen 68 % sind für uns ein noch größeres Rätsel. Wissenschaftler nennen diese 68 % „dunkle Energie“. Sie können sich vorstellen, dass es sich um eine sehr große Existenz handelt, aber wir wissen nicht, was es ist. Da wir nicht wissen, was es ist, warum nennen wir es dunkle Energie?

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich das Universum ständig ausdehnt und die Expansionsrate zunimmt. Dieses Phänomen widerspricht den bestehenden physikalischen Theorien, denn der Theorie zufolge sollte die Schwerkraft die Ausdehnung des Universums allmählich verlangsamen und schließlich sogar zu einer Verkleinerung führen. Die Realität ist jedoch, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Daher glauben Astronomen, dass es möglicherweise eine mysteriöse Kraft gibt, die alles im Universum nach außen drückt und so dazu führt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Wir nennen diese mysteriöse Kraft „Dunkle Energie“.

Durch Computersimulationen können Wissenschaftler den aktuellen Zustand des Universums bis zum Beginn des Urknalls zurückverfolgen und so feststellen, wie viel dunkle Materie und dunkle Energie nötig sind, um das Universum in das umzukehren, was wir heute sehen. Wenn in der Simulation nicht der richtige Anteil an dunkler Materie eingestellt wird, können die Galaxienformen, die wir heute sehen, nicht erzielt werden. Wenn dunkle Materie und dunkle Energie in der Simulation vermischt werden, das heißt, wenn dunkle Energie nicht existiert und dunkle Materie 95 % ausmacht, gibt es keine Möglichkeit, in der Simulation zum gleichen Ergebnis zu kommen. Demnach betragen die Anteile von konventioneller Materie, dunkler Materie und dunkler Energie im Universum etwa 5 %, 27 % und 68 %.

Wie also sollen wir dunkle Materie und dunkle Energie nachweisen?

Der direkteste Effekt ist tatsächlich der zuvor erwähnte „Gravitationslinseneffekt“. Es kann die Verteilung der dunklen Materie skizzieren, indem es die Krümmung des Lichts beim Durchgang durch bestimmte Bereiche beobachtet. Darüber hinaus können wir auch kosmische Strahlung wahrnehmen. Beispielsweise kann der Satellit „Wukong“ meines Landes zur Detektion dunkler Materieteilchen hochenergetische kosmische Strahlung messen. Wenn es gelingt, neben Supernova-Explosionen auch andere Quellen der kosmischen Strahlung zu entdecken, könnte es möglicherweise auch indirekt dunkle Materie nachweisen. Darüber hinaus ist die Entdeckung dunkler Materie in unterirdischen Laboren derzeit eine der direktesten Methoden zur Entdeckung dunkler Materie. Da dunkle Materie nur sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagiert, muss sie in einer extrem ruhigen Umgebung nachgewiesen werden. Unterirdische Labore können Störungen durch kosmische Strahlung und die Erdoberfläche wirksam abschirmen und bieten so eine ideale Umgebung für die Entdeckung dunkler Materie. Derzeit gibt es weltweit viele unterirdische Labore, in denen Experimente zur Entdeckung dunkler Materie durchgeführt werden. Beispielsweise ist das unterirdische Labor Jinping unseres Landes, das 2.400 Meter unter der Erde im Jinping-Berg in der Präfektur Liangshan in Sichuan liegt, eines der tiefsten unterirdischen Labore der Welt. Hier führen Wissenschaftler eine Reihe von Experimenten zur Erkennung dunkler Materie durch, in der Hoffnung, direkte Beweise für die Existenz dunkler Materie zu finden.

Die derzeit gängigste Methode zur Erkennung dunkler Energie ist die Beobachtung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung ist die schwache elektromagnetische Strahlung, die vom Urknall übrig geblieben ist. Ihre Verteilung und Eigenschaften enthalten Informationen über den frühen Zustand des Universums. Durch die präzise Messung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung können wir die Verteilung von Materie und Energie im Universum verstehen und Hinweise für die Erforschung der dunklen Energie liefern.

Obwohl Wissenschaftler dunkle Materie und dunkle Energie seit Jahrzehnten erforschen, wissen wir immer noch sehr wenig über ihre „wahre“ Natur, beispielsweise, welches Teilchen dunkle Materie ist. Ist dunkle Energie die kosmologische Konstante? Aber wir wissen zumindest, dass dunkle Materie und dunkle Energie zu den wichtigsten Bestandteilen des Universums gehören und dass ihre Existenz die Struktur und Entwicklung des Universums direkt beeinflusst. Vielleicht werden wir an dem Tag, an dem wir das Geheimnis der dunklen Materie und der dunklen Energie wirklich lüften, ein tieferes Verständnis der Natur des Universums erlangen können. Vielleicht geht es hier um die ultimative Frage unserer menschlichen Philosophie: Wer sind wir? Woher kommen wir? Wohin gehen Sie als nächstes?

Autor: Sterne werden Licht

Gutachter: Zhou Binghong, Forscher am National Space Science Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

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