Dunkle Materie birgt möglicherweise ein noch dunkleres Geheimnis

Dunkle Materie lässt sich mit einem Teleskop nicht abbilden und ist noch lange nicht vollständig verstanden, dennoch ist sie überall.

Die tiefsten Geheimnisse der Dunklen Materie hängen mit ihrer Natur und ihrem Verhalten zusammen. Die vorherrschende Idee in Bezug auf Dunkle Materie ist die Theorie der kalten dunklen Materie (CDM), die besagt, dass dunkle Materie aus Teilchen mit niedriger Geschwindigkeit besteht, die nicht miteinander interagieren. Dieser Gedanke wurde diskutiert und steht erneut zur Debatte. Unter der Leitung des Astrophysikers Hai Bo Yu hat ein Forscherteam der University of California Riverside eine alternative Idee entwickelt, die die Extreme erklärt, bei denen kalte dunkle Materie nicht so gut funktioniert.

Es wird angenommen, dass Galaxien und Galaxienhaufen von Halos aus dunkler Materie umgeben sind. Auf der einen Seite der Debatte stehen Halos aus galaktischer dunkler Materie, die zu dicht sind, um mit dem CDM kompatibel zu sein, und auf der anderen Seite stehen Halos aus galaktischer dunkler Materie, die zu diffus sind, als dass der CDM sie verstehen könnte. Yu und seine Kollegen vermuten stattdessen, dass es sich um eine dunkle Macht handelt (sorry, Star Wars-Fans – nein). Die Kraft) führt dazu, dass Teilchen der Dunklen Materie miteinander kollidieren. Dabei handelt es sich um selbstwechselwirkende Dunkle Materie, kurz SIDM.

Die Idee, dass unsichtbare Teilchen interagieren und sich entweder in einer diffusen Korona gegenseitig weg und nach außen drücken oder in einer dichten Korona näher zusammen und nach innen drängen, könnte das sein, wonach wir im Dunkeln gesucht haben. Aber zuerst: Warum wird die dunkle Materie überwiegend für kalt gehalten?

Verloren im Dunkeln

Dunkle Materie ist „dunkel“, weil ihre Wechselwirkungen mit sichtbarer Materie und elektromagnetischer Strahlung entweder schwach oder nicht vorhanden sind. Kein Licht kann es beleuchten, da es keine nennenswerten Wechselwirkungen mit elektromagnetischer Strahlung jeglicher Art eingehen kann. Der Grund dafür, dass dunkle Materie zumindest nach der Theorie der kalten dunklen Materie als „kalt“ beschrieben wird, liegt darin, dass man annimmt, dass sich langsame Teilchen viel langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Das CDM bleibt das Standardmodell für Dunkle Materie, da es dem Aufbau und Erhalt kosmischer Strukturen wie Galaxien dient. Wenn dunkle Materie kalt wäre, könnte sie sich leichter ansammeln und aggregieren, als wenn sie sich durch das Vakuum des Weltraums bewegen würde, was der Fall wäre, wenn die gesamte dunkle Materie „heiß“ wäre oder aus leichteren Teilchen bestünde, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Heiße Teilchen der Dunklen Materie wären zu schnell, um über lange Zeiträume hinweg Strukturen zu bilden, und könnten alle bestehenden Strukturen, mit denen sie kollidieren, abflachen. Warme dunkle Materie liegt irgendwo zwischen kalt und heiß.

Wie viele Arten dunkler Materie tatsächlich existieren, ist unbekannt. Einige Wissenschaftler bestehen darauf, dass alle dunkle Materie kalt ist, während andere argumentieren, dass es mehr als eine Art gibt.

Obwohl das CDM nicht sagt, dass diese unsichtbare Materie völlig bewegungslos ist, erlaubt es nicht, dass viele Teilchen der Dunklen Materie kollidieren. Hier kommt SIDM ins Spiel.

Bringen Sie mehr Licht ins Dunkel

Während heiße und warme dunkle Materie außerhalb des Rahmens ihrer Studie lagen, testeten Yu und sein Team, ob SIDM einen Aspekt der kalten dunklen Materie erklären kann, der nicht wirklich funktioniert: Es fällt ihm schwer, sehr dichte, sehr diffuse Halos aus dunkler Materie zu erklären.

„Im [diffuse scenario]Durch Wechselwirkungen wird Wärme vom äußeren zum inneren Koronabereich übertragen, wodurch die zentrale Dichte verringert wird. Im [dense scenario]„Die Richtung des Wärmeflusses kehrt sich um und die innere Korona wird dichter als ihr CDM-Gegenstück“, heißt es in einer Erklärung. Stady Es wurde kürzlich in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Ultradiffusionsgalaxien UDGs sind besonders schwache Zwerggalaxien, da ihre Sterne weit voneinander entfernt sind. Das Sternentstehungsgas ist zu dünn verteilt, um viele neue Sterne zu erzeugen. Der Halo aus dunkler Materie einer ultradiffusen Galaxie reicht viel weiter weg als der einer regulären Zwerggalaxie, was bei den vom CDM vorgeschlagenen nicht kollidierenden Teilchen nicht passieren sollte – Teilchen, die nicht interagieren, wären näher beieinander und würden eine dichtere Galaxie erzeugen Halo mit kürzerer Reichweite. Durch SIDM können Teilchen kollidieren und Wärme übertragen. Die daraus resultierende Ausdehnung der Dunklen Materie könnte erklären, warum diese Halos so häufig vorkommen.

Das zweite Szenario befasst sich mit Halos aus dunkler Materie, die so dicht sind, dass sie einen Einfluss auf die Gravitationslinse haben. Diese dichten Halos enthalten genügend dunkle Materie, um die Raumzeit zu krümmen, so dass auch das durch diesen Raumbereich wandernde Licht gebeugt wird. Aufgrund dieser Störungen wird das Objekt hinter der Linsengalaxie vergrößert, wenn auch oft etwas verzerrt. SIDM unterstützt auch Konzentrationen dunkler Materie, die ausreichen, um den Gravitationslinseneffekt zu beeinflussen, da kollidierende Partikel genauso gut nach innen wie nach außen zeigen können sollten. Miteinander kollidierende Teilchen erhöhen die Dichte der Korona, und ein Schwarm von ihnen kann eine riesige Blase aus dunkler Materie bilden, die eine Gravitationslinse erzeugt.

Wir tappen in vielerlei Hinsicht immer noch im Dunkeln über die Dunkle Materie. Bis es eine Möglichkeit gibt, sie direkt zu erkennen, müssen wir uns auf theoretische Arbeiten verlassen, um herauszufinden, ob Ideen wie SIDM von Nutzen sein können. Vielleicht werden wir eines Tages über eine direkte Nachweismethode verfügen, die endlich Licht in die Geheimnisse der Dunklen Materie bringt.

Astrophysikalische Tagebuchbriefe2023. Digitale ID: 10.3847/2041-8213/ad0e09