Auf der Suche nach den Wächtern der Galaxie: Warum zerbrechen Galaxien nicht?

Galaxien sind die spektakulärsten und grundlegendsten Bausteine ​​des Universums und enthalten riesige Mengen an Sternen, Gas und Staub. Doch hinter ihrer prachtvollen Erscheinung verbergen sie tatsächlich die dunkelsten Geheimnisse des Universums.

Als Astronomen vor Jahrzehnten Spiralgalaxien beobachteten, entdeckten sie auf der Außenseite der Galaxie ein völlig ungewöhnliches Phänomen: Die Objekte dort bewegten sich zu schnell!

Die Gravitationstheorien von Newton und Einstein besagen, dass die Schwerkraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist. Dies bedeutet, dass Objekte, die weit vom Zentrum der Galaxie entfernt sind, wo die Masse am stärksten konzentriert ist, einer schwächeren Gravitationskraft ausgesetzt sind als Objekte, die näher am Zentrum der Galaxie liegen, und sich daher langsamer bewegen. Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass sich die Geschwindigkeit von Himmelskörpern nach Überschreiten einer bestimmten Entfernung auf magische Weise zu stabilisieren beginnt, anstatt wie theoretisch erwartet abzunehmen.

Dies ist eine sehr überraschende Entdeckung. Wenn sich Objekte außerhalb der Galaxie so schnell bewegen würden, müssten sie bereits außer Kontrolle der Galaxie geraten sein und den Zerfall der Galaxie verursacht haben. Aber das ist nicht passiert. Warum? Was bewacht still die Galaxie? Dies weckte die Neugier aller.

Betrachten wir zunächst die erste Möglichkeit.

Lassen Sie uns zunächst über 100 Jahre zurückgehen. Damals analysierte der Astronom Le Verrier die Umlaufbahn des Uranus im Sonnensystem und stellte fest, dass seine Umlaufbahn nicht mit den Vorhersagen der Gravitationstheorie Newtons übereinstimmte. Da Newtons Theorie zu dieser Zeit große Erfolge erzielt hatte, stellte niemand diese grundlegende Theorie in Frage. Im Gegenteil, nach detaillierten mathematischen Berechnungen sagte Le Verrier voraus, dass es jenseits des Uranus einen weiteren, unentdeckten Planeten gebe, der ihn beeinflusse. Im Jahr 1846 entdeckte der Astronom Galle die fehlende Masse – Neptun – weniger als 1 Grad von der von Le Verrier vorhergesagten Position entfernt.

Das Gleiche könnte auch außerhalb von Galaxien passieren. Obwohl die Summe aller sichtbaren Materie, einschließlich der Sterne, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Himmelskörper nicht erklären kann, stellt sich die Frage, was wäre, wenn es da draußen eine große Zahl von Himmelskörpern gäbe, die viel weniger hell sind als gewöhnliche Sterne, wie etwa Braune Zwerge, Rote Zwerge, Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher, und daher eine zusätzliche Gravitationskraft ausüben? Nach umfangreichen Suchvorgängen stellten die Astronomen jedoch fest, dass die Gesamtmenge dieser Objekte nicht ausreichte, um die fehlende Masse auszugleichen.

Als nächstes schauen wir uns die zweite Möglichkeit an.

Nach dem Erfolg von Neptun entdeckten Astronomen, dass es auch Anomalien in der Bewegung von Merkur gab. Dann liegt die logische Schlussfolgerung nahe, dass es in der Nähe des Merkur einen unentdeckten Planeten geben könnte. Trotz langer Suche konnte jedoch niemand einen anderen Planeten in der Nähe des Merkur finden. Natürlich haben sie es nie gefunden. Denn was wir diesmal brauchen, ist eine völlig neue Gravitationstheorie, die über die Newtonsche Theorie hinausgeht. Als Einstein 1915 die allgemeine Relativitätstheorie vorschlug, war das Merkurproblem vollkommen gelöst.

Heißt das also, dass auf galaktischer oder größerer Ebene eigentlich Einsteins Theorie überarbeitet werden muss? Es ist möglich und viele Theoretiker versuchen es, aber bisher hat sich keine Theorie als Lösung für alle Probleme herauskristallisiert.

Schematische Darstellung von Galaxien (Bild von TuChong.com)

Schauen wir uns nun die dritte Möglichkeit an. Ist es möglich, dass es in Galaxien neben der gewöhnlichen Materie wie funkelnden Sternen und leuchtendem Gas und Staub eine große Menge unsichtbarer Materie gibt, die nur durch die Schwerkraft mit der gewöhnlichen Materie interagiert? Die Vorstellung, dass es sich bei dieser unsichtbaren Materie um sogenannte „Dunkle Materie“ handelt, ist sehr verlockend. Das heißt, die Galaxie ist wahrscheinlich von einem riesigen und diffusen „Halo aus dunkler Materie“ umgeben, der für zusätzliche Schwerkraft sorgt und so der Galaxie ermöglicht, ihre Stabilität aufrechtzuerhalten.

Danach deuteten auch alle anderen Beobachtungen darauf hin, dass das Universum mit dunkler Materie gefüllt sein sollte, die kein Licht emittiert, absorbiert oder reflektiert. Berechnungen zeigen, dass etwa 85 % der Materie im Universum dunkle Materie ist!

Astronomen verwenden eine Methode namens Gravitationslinseneffekt, um die Verteilung der dunklen Materie im Weltraum zu kartieren. Wir wissen, dass alle Materie Masse und daher Schwerkraft besitzt, die den umgebenden Raum und die Zeit beeinflusst. Wenn Licht einer weit entfernten Hintergrundgalaxie durch eine Vordergrundgalaxie dringt, die näher an der Erde liegt, verzerrt Einsteins Theorie zufolge die Schwerkraft der Vordergrundgalaxie die umgebende Raum-Zeit-Struktur, sodass sich der Weg des Lichts krümmt, genau wie bei einer optischen Linse. Aus dem Grad der Lichtbeugung können Wissenschaftler auf die Masse der Vordergrundgalaxie schließen. Die Ergebnisse zeigten, dass die sichtbare Materie in den Galaxien nicht ausreichte, um die Lichtbrechung zu erklären, sodass eine große Menge dunkler Materie vorhanden sein muss.

Okay, also angenommen, dunkle Materie gibt es wirklich, was genau ist sie? Theoretiker gehen davon aus, dass es sich bei der Dunklen Materie höchstwahrscheinlich um ein oder mehrere völlig neue Teilchen handelt, die noch nie entdeckt wurden. Zu diesem Zweck schlugen sie viele hypothetische Teilchenkandidaten vor, deren Massen und Eigenschaften jedoch mit großer Unsicherheit behaftet waren. Eine Klasse von Theorien sagt voraus, dass dunkle Materie aus einer Art „schwach wechselwirkender massiver Teilchen“ (WIMP) besteht. Diese Annahme wird favorisiert, weil sie auf natürliche Weise die Dichte der dunklen Materie erklären kann, die heute im Universum beobachtet wird.

Derzeit gibt es drei Methoden, um nach diesem Dunkle-Materie-Teilchen zu suchen. Die erste Methode ist die direkte Detektion. Dabei bauen Wissenschaftler tief unter der Erde Detektoren, um Beweise für Kollisionen zwischen Dunkle-Materie-Partikeln und Atomkernen direkt zu erfassen. Die zweite Methode ist die indirekte Detektion, bei der Wissenschaftler in Daten wie Gammastrahlen und Neutrinos nach Vernichtungs- oder Zerfallsprodukten von Dunkle-Materie-Partikeln suchen. Die dritte Methode ist die Collider-Erkennung, bei der hochenergetische Teilchenstrahlen in einem Collider kollidieren und so direkt Dunkle-Materie-Teilchen erzeugen.

Derzeit verfügt mein Land nicht nur über das Jinping Underground Laboratory zur direkten Suche nach Kollisionen zwischen Dunkle-Materie-Partikeln und Atomkernen, sondern auch über den Satelliten „Wukong“, der auf indirektem Wege nach Dunkler Materie sucht. Neben WIMPs suchen Wissenschaftler natürlich auch aktiv nach anderen Kandidatenteilchen wie Axionen und sterilen Neutrinos. Doch bis heute ist die Natur der dunklen Materie ein großes Rätsel.

Also, was genau bewacht die Galaxie? Das wissen wir noch nicht. Wir können nur neugierig bleiben, geduldig sein und hart daran arbeiten, verschiedene Möglichkeiten zu erkunden. Am Ende könnten wir unerwartete Gewinne erzielen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Shen Wen

Audit: Koreanischer Standard

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