Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass dunkle Materie aus Partikeln bestehen kann, die fast so schwer sind wie menschliche Zellen und eine ausreichende Dichte haben, um ein kleines Schwarzes Loch zu werden.
Während angenommen wird, dass dunkle Materie fünf Sechstel der gesamten Materie im Universum ausmacht, wissen Wissenschaftler immer noch nicht, woraus diese seltsame Substanz besteht. Dunkle Materie ist ihrem Namen nach nicht sichtbar - sie sendet kein Licht aus, reflektiert es nicht und blockiert es auch nicht. Folglich kann dunkle Materie nur noch aufgrund ihrer Gravitationseffekte auf gewöhnliche Materie untersucht werden. Und ihre Natur ist derzeit eines der größten Geheimnisse der Wissenschaft.
Die Autoren einer neuen wissenschaftlichen Studie sagten, dass, wenn dunkle Materie aus solchen supermassiven Partikeln besteht, Astronomen ihre Zeichen im Nachglühen des Urknalls erkennen könnten.
Frühere Untersuchungen der Dunklen Materie haben alle bekannten konventionellen Materialien als Kandidaten für diejenigen, aus denen dieses mysteriöse Material besteht, weitgehend eliminiert. Zu den Gravitationseffekten, die der Dunklen Materie zugeschrieben werden, zählen die Umlaufbewegungen von Galaxien: Die Gesamtmasse der sichtbaren Materie in der Galaxie, wie Sterne und Gaswolken, kann die Bewegungen der Galaxie nicht erklären, daher muss eine zusätzliche, unsichtbare Masse vorhanden sein. Die Wissenschaftler sind nach wie vor der Meinung, dass diese fehlende Masse aus einer neuen Art von Partikeln besteht, die sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren. Diese neuen Teilchen werden außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik existieren, das die derzeit beste Beschreibung der subatomaren Welt darstellt. Einige Dunkle-Materie-Modelle legen nahe, dass diese kosmische Substanz aus schwach wechselwirkenden massiven Partikeln oder schwach wechselwirkenden massiven Partikeln (WIMP) besteht, von denen angenommen wird, dass sie etwa die 100-fache Masse eines Protons haben. Dies wird von Studienkoautor McCullen Sandora, einem Kosmologen der University of Southern Denmark, angegeben. Trotz zahlreicher Suchanfragen fanden die Forscher schließlich kein UHF, so dass die Möglichkeit offen blieb, dass Partikel der dunklen Materie aus einer signifikanten anderen Substanz bestehen könnten.
Jetzt untersuchen Sandora und seine Kollegen die Obergrenze der Masse der dunklen Materie - das heißt, sie versuchen herauszufinden, wie massereich die einzelnen Teilchen sein könnten, basierend auf dem, was Wissenschaftler über sie wissen. In diesem neuen Modell, das als Plancks wechselwirkende dunkle Materie bekannt ist, wiegt jedes der schwach wechselwirkenden Teilchen etwa 1019 oder 10 Milliarden Mal mehr als ein Proton oder „ungefähr so schwer wie ein Teilchen, bevor es sich in ein kleines schwarzes Loch verwandelt “, Sagte Sandora zu Space.com.
Ein Teilchen mit 1019 Protonenmassen wiegt etwa 1 Mikrogramm. Studien zeigen zum Vergleich, dass eine typische menschliche Zelle etwa 3,5 μg wiegt.
Die Entstehung der Idee dieser supermassiven Partikel "begann mit einem Gefühl der Depression, das anscheinend alle Bemühungen zur Erzeugung oder Erkennung von UHF begleitet und dennoch keine ermutigenden Hinweise liefert", sagte Sandora. "Wir können das UHRO-Skript immer noch nicht ausschließen." Aber von Jahr zu Jahr gibt es den Verdacht, dass wir sie nicht bemerken können. Tatsächlich gab es bisher keine definitiven Hinweise darauf, dass es auf einer verfügbaren Energieskala eine neue Physik außerhalb des Standardmodells gibt. Daher mussten wir über die endgültige Grenze dieses Szenarios nachdenken. “ Diese Abbildung aus der Computermodellierung zeigt einen Schwarm dunkler Materie um unsere Milchstraßengalaxie.
Sandora und seine Kollegen hielten ihre Vermutung für etwas mehr als nur eine Kuriosität, da der hypothetische Massencharakter der Partikel bedeutet, dass es für keinen Teilchenkollider auf der Erde möglich ist, eine solche Existenz zu erzeugen und zu beweisen (oder zu widerlegen).
Forscher haben nun jedoch vorgeschlagen, dass, wenn solche Partikel existieren, Anzeichen ihrer Existenz in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nachgewiesen werden können. Dies ist das Nachglühen des Urknalls, der vor 13, 8 Milliarden Jahren das Universum erschuf.
Derzeit herrscht in der Kosmologie die Ansicht vor, dass das Universum in den Augenblicken nach dem Urknall zu gigantischen Ausmaßen gewachsen ist. Dieser enorme Wachstumsschub, Inflation genannt, würde den Kosmos glätten und erklären, warum er jetzt in alle Richtungen weitgehend gleich aussieht.
Studien zeigen, dass nach dem Ende der Inflation die verbleibende Energie das neugeborene Universum in einer Ära namens „Wiedererwärmung“ erwärmte. Sandora und seine Kollegen schlagen vor, dass die extremen Temperaturen, die durch das Wiedererhitzen erzeugt werden, eine große Anzahl von supermassiven Partikeln erzeugen könnten. Dies reicht aus, um die Gravitationseffekte der dunklen Materie zu erklären, die derzeit im Universum auftreten.
Damit dieses Modell funktioniert, muss die Wärme während des Aufheizens jedoch deutlich höher sein als bei Universalmodellen allgemein angenommen. Ein heißeres Aufheizen würde wiederum eine Signatur in der Reliktstrahlung hinterlassen, die die nächste Generation von Reliktexperimenten erkennen kann. „All dies wird in den nächsten Jahren geschehen. Wir hoffen, dass dies in den nächsten zehn Jahren geschehen wird und nicht mehr “, sagte Sandora. Wenn dunkle Materie aus diesen superschweren Partikeln besteht, würde eine solche Entdeckung nicht nur die Natur des größten Teils der Materie im Universum beleuchten, sondern auch ein vollständiges Bild der Natur der Inflation und wie sie begann und aufhörte. Dies sind Dinge, die nach Ansicht von Wissenschaftlern immer noch sehr ungewiss sind.
Besteht die Dunkle Materie beispielsweise aus diesen extraschweren Partikeln, die zeigen, dass die Inflation mit sehr hoher Energie erfolgt ist, bedeutet dies wiederum, dass sie nicht nur Temperaturschwankungen im frühen Universum erzeugen konnte, sondern auch in ihrem Raum und Zeit in Form von Gravitationswellen “, sagte Sandora. "Zweitens deutet dies darauf hin, dass die Energie der Inflation extrem schnell in Materie zerfallen musste, denn wenn es länger dauern würde, würde sich das Universum auf einen Punkt abkühlen, an dem es im Allgemeinen keine mit Planck wechselwirkenden Partikel der dunklen Materie produzieren könnte." .