Neue Studie zu Einstein-Ringen besagt, dass sich dunkle Materie wie eine Welle verhält, nicht wie ein Teilchen: ScienceAlert

Physiker glauben, dass der größte Teil der Materie im Universum aus unsichtbarer Materie besteht, von der wir nur durch ihre indirekten Auswirkungen auf Sterne und Galaxien wissen, die wir sehen können.

Wir sind nicht verrückt! Ohne diese „dunkle Materie“ hätte das Universum, wie wir es sehen, keine Bedeutung.

Aber die Natur der Dunklen Materie ist ein uraltes Mysterium. Aber, Neue Studie Geschrieben von Alfred Amroth von der University of Hong Kong und Kollegen, veröffentlicht in natürliche Astronomie Es nutzt die gravitative Krümmung des Lichts, um uns dem Verständnis einen Schritt näher zu bringen.

Unsichtbar, aber allgegenwärtig

Wir glauben, dass dunkle Materie existiert, weil wir ihre Gravitationseffekte auf das Verhalten von Galaxien sehen können. Genauer gesagt, dunkle Materie scheint etwa 85 % der Masse des Universums auszumachen, und die meisten fernen Galaxien, die wir sehen können, scheinen von einem Heiligenschein aus mysteriöser Materie umgeben zu sein.

Aber sie wird dunkle Materie genannt, weil sie kein Licht emittiert, absorbiert oder reflektiert, was es sehr schwierig macht, sie zu entdecken.

Also, was sind diese Dinge? Wir glauben, dass es sich um eine Art unbekanntes Elementarteilchen handeln muss, sind uns aber noch nicht sicher. Alle Versuche, Teilchen der Dunklen Materie in Laborexperimenten nachzuweisen, sind bisher gescheitert, und Physiker diskutieren seit Jahrzehnten über ihre Natur.

Wissenschaftler haben zwei hypothetische Hauptkandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen: relativ schwere Teilchen, die als schwach wechselwirkende massive Teilchen (oder WIMPs) bezeichnet werden, und extrem leichte Teilchen, die Axionen genannt werden.

Theoretisch verhalten sich WIMPs wie diskrete Teilchen, während sich Axionen aufgrund von Quanteninterferenz sehr ähnlich wie Wellen verhalten.

Es war schwierig, zwischen diesen beiden Möglichkeiten zu unterscheiden – aber ein kleiner Umweg um ferne Galaxien lieferte einen Hinweis.

Gravitationslinsen und Einsteinringe

Wenn Licht von einem massereichen Objekt wie einer Galaxie durch das Universum strömt, wird sein Weg gebogen, weil – gemäß Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie – die Gravitation des massereichen Objekts Raum und Zeit um es herum verzerrt.

Infolgedessen können wir manchmal, wenn wir auf eine entfernte Galaxie blicken, verzerrte Bilder von anderen Galaxien dahinter sehen. Und wenn alles perfekt ausgerichtet ist, umkreist das Licht der Hintergrundgalaxie die nächste Galaxie.

Diese Lichtverzerrung wird „Gravitationslinseneffekt“ genannt, und die Kreise, die er erzeugen kann, werden „Einstein-Schleifen“ genannt.

Indem sie untersuchen, wie sich Ringe oder andere linsenförmige Bilder verzerren, können Astronomen etwas über die Eigenschaften des Halo aus dunkler Materie erfahren, der die nächste Galaxie umgibt.

Accion gegen WIMPs

Und genau das haben Amroth und sein Team in ihrer neuen Studie getan. Sie untersuchten mehrere Systeme, bei denen mehrere Kopien desselben Objekts im Hintergrund um die Linsengalaxie im Vordergrund herum sichtbar waren, mit besonderem Fokus auf ein System namens HS 0810+2554.

Mittels detaillierter Modellierung berechneten sie, wie sich die Bilder verzerren würden, wenn die Dunkle Materie aus WIMPs bestünde, im Vergleich dazu, wie es wäre, wenn die Dunkle Materie aus Axionen bestünde. Das WIMP-Modell sah der Realität nicht sehr ähnlich, aber das Axion-Modell reproduzierte alle Funktionen des Systems genau.

Der Befund deutet darauf hin, dass Axionen ein wahrscheinlicherer Kandidat für dunkle Materie sind, und ihre Fähigkeit, Linsenanomalien und andere astrophysikalische Beobachtungen zu erklären, irritiert Wissenschaftler.

Teilchen und Galaxien

Die neue Forschung baut auf früheren Studien auf, die ebenfalls darauf hinwiesen, dass Axionen die wahrscheinlichste Form der Dunklen Materie sind.

Zum Beispiel, eine Studie untersuchte dabei die Auswirkungen von Axion-Dunkelmaterie auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund zuletzt Untersuchung des Verhaltens von Dunkler Materie in Zwerggalaxien.

Obwohl diese Forschung die wissenschaftliche Debatte über die Natur der Dunklen Materie nicht beenden wird, eröffnet sie doch neue Möglichkeiten für Tests und Experimente. Zum Beispiel könnten zukünftige Gravitationslinsenbeobachtungen verwendet werden, um die wellenartige Natur von Axonen zu untersuchen und möglicherweise ihre Masse zu messen.

Ein besseres Verständnis der Dunklen Materie wird Auswirkungen auf unser Wissen über Teilchenphysik und das frühe Universum haben. Es kann uns auch helfen, besser zu verstehen, wie sich Galaxien im Laufe der Zeit bilden und verändern.

Rossana Ruggieriwissenschaftlicher Mitarbeiter in Kosmologie, Universität Queensland

Dieser Artikel wurde neu veröffentlicht von Gespräch Unter Creative Commons-Lizenz. Lies das Der Originalartikel.