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Bericht | 13.01.2010 GALAXIENDYNAMIK Triumph für die Dunkle Materie Neues Computermodell löst jahrzehntelanges Dilemma Oliver Dreissigacker Die meisten Astronomen, Kosmologen und Teilchenphysiker gehen seit geraumer Zeit davon aus, dass es einen unsichtbaren Stoff im Universum gibt, der beispielsweise die Bewegung der Sterne in Spiralgalaxien dominiert. Und mit dem jetzt erbrachten Forschungsergebnis werden die Skeptiker vielleicht endgültig verstummen. http://www.wissenschaft-online.de/artikel/1018771 ------------- Astronomen klärten Geburt von Galaxien Aufzählung Kosmologisches Rätsel nach fast 20 Jahren entschlüsselt. Zürich. Forscher haben die Entstehung von Zwerggalaxien so genau wie noch nie rekonstruiert. Dabei gelang es ihnen, ein bald 20 Jahre altes kosmologisches Rätsel zu lösen, teilte die Universität Zürich am Mittwoch mit. Physiker nennen das Paradox die "Kalte-Dunkle-Materie-Katastrophe". Das Modell der kalten dunklen Materie versucht seit 20 Jahren zu erklären, wie sich Galaxien und Standardmaterie im Universum verteilt haben. Doch dieses Modell funktioniert nur in der Größenordnung von Milliarden Lichtjahren. In Dimensionen bis zu 1000 Lichtjahren versagt es und führt zu einem Widerspruch mit der gemessenen Realität. Dunkle Materie Nun hat eine internationale Gruppe von Forschern, unter ihnen Lucio Mayer von der Universität Zürich als Co-Leiter, das Rätsel mit einer aufwendigen Simulation gelöst. Mit Hilfe von verschiedenen Supercomputern modellierten sie die Entstehung von scheibenförmigen Zwerggalaxien äußerst präzise, berichten sie im Fachmagazin "Nature". Anders als frühere Modelle zog die Simulation auch den komplexen Einfluss der Standardmaterie auf die dunkle Materie in Betracht. So wiesen die Forscher nach, dass bei der Explosion einer Supernova nicht wie bisher angenommen nur Gase, sondern auch kalte dunkle Materie aus dem Zentrum einer Galaxie geschleudert wird. Printausgabe vom Donnerstag, 14. Jänner 2010 Online seit: Mittwoch, 13. Jänner 2010 16:26:00 http://www.wienerzeitung.at/DesktopDefault.aspx?TabID=3937&Alias=wzo&cob=461416 ---------- Dunkle Materie aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie Wechseln zu: Navigation, Suche Dunkle Materie bezeichnet in der physikalischen Kosmologie eine hypothetische Form von Materie, die zu wenig sichtbares Licht oder andere elektromagnetische Strahlung aussendet oder reflektiert, um direkt beobachtbar zu sein. Diese Eigenschaft teilt die Dunkle Materie mit der Dunklen Energie. Dunkle Materie macht sich durch gravitative Wechselwirkung mit sichtbarer Materie bemerkbar. Ihre Existenz würde das Problem der Dunklen Materie lösen, das sich unter anderem in zu schnellen Umlaufgeschwindigkeiten der Randbereiche von Galaxien äußert. Dunkle Materie: Die Diskrepanz zwischen der gemessenen und der zu erwartenden Umlaufgeschwindigkeit der Sterne in unserer Galaxie lässt sich im Rahmen der bekannten Gravitationsgesetze nur mit der Annahme einer zusätzlichen, nicht sichtbaren „Dunklen Materie“ erklären. Inhaltsverzeichnis [Verbergen] * 1 Existenz und Bedeutung * 2 Argumente, die die Existenz von Dunkler Materie nahelegen o 2.1 Beobachtungsgeschichte o 2.2 Modelle und Simulationen * 3 Mögliche Formen von Dunkler Materie o 3.1 Baryonische Dunkle Materie o 3.2 Heiße Dunkle Materie (HDM) o 3.3 Kalte Dunkle Materie (CDM) o 3.4 Axionen * 4 Alternative Erklärungsversuche der Beobachtungen * 5 Beziehung zum Higgs-Feld? * 6 Einzelnachweise und Fußnoten * 7 Siehe auch * 8 Literatur * 9 Weblinks Existenz und Bedeutung [Bearbeiten] Nach dem Dritten Kepler'schen Gesetz und den Gravitationsgesetzen müsste die Rotationsgeschwindigkeit der äußeren Bereiche von Galaxien abnehmen. Sie bleibt jedoch konstant oder steigt sogar an. Dies legt die Vermutung nahe, dass es in der Galaxie Masse gibt, die nicht in Form von Sternen, Staub oder Gas sichtbar ist, eben Dunkle Materie.[1] Ihre Existenz gilt bisher nicht als nachgewiesen, wird aber neben der Galaxienrotation noch durch eine Vielzahl von astronomischen Beobachtungen, wie der Dynamik von Galaxienhaufen und des Gravitationslinseneffekts, nahegelegt, die unter Zugrundelegung der anerkannten Gravitationsgesetze durch die sichtbare Materie allein nicht erklärbar sind. Dunkler Materie wird eine wichtige Rolle bei der Strukturbildung im Universum und bei der Galaxienbildung zugeschrieben. Messungen im Rahmen des Standardmodells der Kosmologie legen einen vier- bis fünffach so hohen Anteil der Dunklen Materie an der Gesamtmasse im Universum gegenüber der gewöhnlichen (sichtbaren) Materie nahe. In der Teilchenphysik werden eine Reihe verschiedener Kandidaten für die Konstituenten der Dunklen Materie diskutiert. Ein direkter Nachweis im Labor ist bislang nicht geglückt, so dass die Zusammensetzung der Dunklen Materie als unbekannt gelten muss. Argumente, die die Existenz von Dunkler Materie nahelegen [Bearbeiten] Es gibt seit Jahren gut etablierte Indizien für dunkle Materie auf drei verschiedenen Größenskalen: die Bewegungen von Galaxiensuperhaufen, Galaxienhaufen und Galaxien. Der Skalenbereich zwischen Galaxien und Galaxienhaufen, insbesondere die kosmische Nachbarschaft der Milchstraße, ist erst in jüngster Vergangenheit in den Fokus der Suche nach dunkler Materie gerückt[2]. Beobachtungsgeschichte [Bearbeiten] Der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort fand 1932 heraus, dass die Dicke der Scheibe der Milchstraße kleiner ist, als er aus der vorhandenen Masse und deren Schwerkraftwirkung erklären konnte.[3] Ungefähr gleichzeitig beobachtete Fritz Zwicky 1933, dass der Coma-Haufen (ein Galaxienhaufen, bestehend aus über 1000 Einzelgalaxien, mit großer Streuung der Einzelgeschwindigkeiten und einer mittleren Entfernungsgeschwindigkeit von 7.500 km/s) nicht durch die Gravitationswirkung seiner sichtbaren Bestandteile (im Wesentlichen der Sterne der Galaxien) allein zusammengehalten wird. Er stellte fest, dass das 400-fache der sichtbaren Masse notwendig ist, um den Haufen gravitativ zusammenzuhalten. Seine Hypothese, dass diese fehlende Masse in Form von Dunkler Materie vorliege, stieß in der Fachwelt auf breite Ablehnung. Die Analyse der Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in Spiralgalaxien durch Vera Rubin seit 1960 zeigte erneut die Problematik auf: Die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne müsste mit zunehmendem Abstand zum Galaxiezentrum viel niedriger sein, als sie tatsächlich ist. Seitdem wurde die Dunkle Materie ernstgenommen und aufgrund detaillierter Beobachtungen in fast allen großen astronomischen Systemen vermutet. Mit der Durchführung von großräumigen Durchmusterungen von Galaxienhaufen und Galaxiensuperhaufen wurde zusätzlich deutlich, dass diese Konzentration an Materie nicht allein durch die sichtbare Materie bewerkstelligt werden konnte. Von der sichtbaren Materie ist einfach zu wenig vorhanden, um durch Gravitation die Dichtekontraste zu erzeugen. Siehe dazu auch Sloan Digital Sky Survey und Struktur des Kosmos. Gravitationslinse: Die Verzerrung des Lichts einer entfernten Galaxie wird durch die Masse in einem Galaxienhaufen im Vordergrund erzeugt. Aus der Verzerrung lässt sich die Massenverteilung bestimmen und dabei tritt eine Diskrepanz zwischen beobachteter Materie und bestimmter Masse auf. Vergleichende Beobachtungen des Gravitationslinseneffekts, der Galaxienverteilung und der Röntgenemission im Bullet-Cluster im Jahr 2006 stellen den bislang stärksten Hinweis auf die Existenz Dunkler Materie dar.[4] Für die Lokale Gruppe beziehungsweise die nächstgrößere Einheit, ein Gebiet mit einem Radius von 30 Millionen Lichtjahren, hat die Analyse der Relativbewegungen ergeben, dass diese mit einer Geschwindigkeit von 600 km/s in die ungefähre Richtung des Virgo-Haufen driftet. Der Grund dafür ist die dort konzentrierte Masse, die die Galaxien der lokalen Gruppe anzieht. Im Gegensatz dazu sind die Relativbewegungen dieser einzelnen Sternsysteme zueinander erstaunlich gering (im Mittel nur 75 km/s). Herkömmlichen Berechnungen basierend auf der beobachteten leuchtenden Materie zufolge müsste diese Relativgeschwindigkeit jedoch etwa 500 km/s betragen. Eine Erklärung dafür könnten ausgedehnte Ansammlungen Dunkler Materie sein, die die Gravitationskräfte durch ihre Anordnung kompensieren. Dagegen spricht jedoch, dass sich auch Dunkle Materie zusammenballen müsste und es daher keine großräumigen Vorkommen mehr geben dürfte. Daher gehen andere Wissenschaftler davon aus, dass die Abschwächung der Relativbewegung von entgegengerichteten Gravitationskräften verschiedener Galaxienhaufen kommt. Sie betrachten sie also nicht als einen Beweis für die Existenz Dunkler Materie. Modelle und Simulationen [Bearbeiten] Das Standardmodell der Kosmologie, das Lambda-CDM-Modell, ergibt in der Zusammenfassung verschiedener Ergebnisse der beobachtenden Kosmologie folgende Zusammensetzung des Universums nach Massenanteil: Etwa 73 Prozent Dunkle Energie, 23 Prozent Dunkle Materie, rund 4 Prozent „gewöhnliche Materie“ (z. B. Atome) und 0,3 Prozent Neutrinos. Die „gewöhnliche Materie“ unterteilt sich dabei in selbstleuchtende (z.B. Sonnen) und nicht selbstleuchtende Komponenten (z.B. Planeten und vor allem kaltes Gas). Der Anteil der selbstleuchtenden Komponenten nimmt dabei nur etwa 1/10 der „gewöhnlichen Materie“ ein. Dieses Modell hat sich auch in großräumigen kosmologischen Simulationen bewährt, da es zu einer Strukturentstehung führt, die der derzeitigen Beobachtungslage entsprechen. Darauf aufbauende lokale Simulationen einiger Dunkle-Materie-Halos, die dem der Milchstraße ähnlich sind, machen statistische Vorhersagen darüber, wie groß die Dichte der dunklen Materie im Bereich des Orbits der Sonne um das galaktische Zentrum ist und welche Geschwindigkeitsverteilung diese Teilchen haben. Diese Parameter beeinflussen Detektorexperimente auf der Erde, die dunkle Materie direkt nachweisen wollen, und sind dadurch testbar. Eine weitere Vorhersage dieser Simulationen ist das charakteristische Strahlungsmuster (Bild), das entsteht, wenn dunkle Materie durch Annihilationsprozesse Gammastrahlung aussendet. Mögliche Formen von Dunkler Materie [Bearbeiten] Baryonische Dunkle Materie [Bearbeiten] Da heißes Gas immer Strahlung emittiert, bleibt als erste Möglichkeit für Dunkle Materie nur kaltes Gas übrig. Gegen diese Hypothese spricht die Tatsache, dass sich kaltes Gas (unter bestimmten Umständen) durchaus erwärmen kann und selbst riesige Gasmengen nicht die benötigte Masse aufbringen könnten. Eine ähnliche Lösung stellt die mögliche Existenz kalter Staubwolken dar, die auf Grund ihrer niedrigen Temperatur nicht strahlen und somit unsichtbar wären. Allerdings würden sie das Licht von Sternen reemittieren und somit im Infrarotbereich sichtbar sein. Außerdem wären so große Mengen an Staub nötig, dass sie die Entstehung der Sterne maßgeblich beeinflusst hätten. Ernstzunehmende Kandidaten waren Braune Zwerge, die auch MACHOs (Massive astrophysical compact halo objects, dt. Massive astrophysikalische kompakte Halo-Objekte)[5] genannt werden. Es handelt sich dabei um einen Typ von Himmelskörpern, in denen der Druck so gering ist, dass keine Kernfusionen stattfinden können und die somit unsichtbar sind. Steht ein MACHO allerdings genau vor einem Stern, so verstärkt er als Gravitationslinse dessen Strahlung. In der Tat wurde dies zwischen Erde und der Großen Magellanschen Wolke vereinzelt beobachtet. Man geht heute jedoch davon aus, dass MACHOs nur einen kleinen Teil der Dunklen Materie ausmachen. Alle diese Möglichkeiten baryonischer Dunkler Materie stehen im Widerspruch zur Theorie der primordialen Nukleosynthese. Bei der Alternative nicht-baryonischer Dunkler Materie unterscheidet man die folgenden beiden Gruppen. Heiße Dunkle Materie (HDM) [Bearbeiten] Neutrinos galten lange Zeit als naheliegende Kandidaten für heiße Dunkle Materie. Allerdings ist ihre maximale Masse nicht ausreichend, um das Phänomen zu erklären. Bestünde die Dunkle Materie aber zum Großteil aus schnellen, leichten Teilchen, d. h. heißer Dunkler Materie, hätte dies für den Strukturierungsprozess im Universum ein Top-Down-Szenario zur Folge. Dichteschwankungen wären zuerst auf großen Skalen kollabiert, es hätten sich erst Galaxienhaufen, dann Galaxien, Sterne, usw. gebildet. Beobachtungen lehren jedoch das Gegenteil. Die Altersbestimmungen von Galaxien haben ergeben, dass diese vorwiegend alt sind, während manche Galaxienhaufen sich gerade im Entstehungsprozess befinden. Ein Bottom-Up-Szenario, eine hierarchische Strukturentstehung, gilt als erwiesen. Daher kann heiße Dunkle Materie allenfalls einen kleinen Teil der gesamten Dunklen Materie ausmachen. Kalte Dunkle Materie (CDM) [Bearbeiten] Diese Variante umfasst noch unbeobachtete Elementarteilchen, die nur der Gravitation und der schwachen Wechselwirkung unterliegen, die sogenannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, dt.: schwach wechselwirkende massive Teilchen). WIMPs lassen sich mit einer hierarchischen Entstehung des Universums vereinbaren. Dabei ist derzeit ein Teilchen aus der Theorie der Supersymmetrie, das LSP (Lightest supersymmetric particle), im Gespräch. Je nach Masse des LSP wird es vielleicht möglich sein, es im neuen Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) des CERN, der im September 2008 in Betrieb genommen wurde, zu erzeugen und nachzuweisen. Axionen [Bearbeiten] → Hauptartikel: Axion In der Physik bezeichnet Axion ein hypothetisches Elementarteilchen, auf dessen mögliche Existenz man durch das Problem der elektrischen Neutralität des Neutrons der Quantenchromodynamik gestoßen ist. Alternative Erklärungsversuche der Beobachtungen [Bearbeiten] Alle obigen Erklärungsansätze nehmen implizit an, dass die Gravitation dem Newtonschen Gravitationsgesetz bzw. der allgemeinen Relativitätstheorie gehorcht. Von einer Minderheit von Astronomen wird die MOND-Hypothese (Modifizierte Newtonsche Dynamik) als Alternative zur Dunklen Materie vorgeschlagen. In ihr wird postuliert, dass die Äquivalenz von träger und schwerer Masse bei extrem kleinen Beschleunigungen nicht mehr gelte. Betrachtet man die newtonsche Gravitationstheorie von 1686, so musste sie nach verschiedenen experimentellen Erkenntnissen bereits drei Modifikationen erfahren. Bei sehr kleinen Abständen verwenden Physiker ausschließlich die Quantenmechanik, bei Geschwindigkeiten oberhalb etwa 10% der Lichtgeschwindigkeit muss man Einsteins spezielle Relativitätstheorie verwenden und nahe sehr großer Massen die allgemeine Relativitätstheorie. Eine vierte Modifikation im oben genanntem Extrembereich ist daher nicht ausgeschlossen[6]. Aus der MOND-Hypothese wiederum geht auch die Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie hervor. Beziehung zum Higgs-Feld? [Bearbeiten] Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist das Higgs-Feld das einzige Feld, dessen Existenz noch nicht nachgewiesen wurde. Weil es anscheinend nicht an die Lichtquanten (Photonen) ankoppelt, aber Ursache für die Eigenschaft „Masse“ der Materie zu sein scheint (speziell bei gewissen sehr schweren Eichbosonen, die in der Theorie der Elektroschwachen Wechselwirkung auftreten), liegt es nahe zu vermuten, dass ein Zusammenhang mit der Dunklen Materie besteht. In der Tat haben Marco Taoso und Mitarbeiter Ende 2009 berechnet, dass das Higgs-Feld indirekt als Folge der Zerstrahlung sehr schwerer Teilchen im Zusammenhang mit Elementarteilchen-Reaktionen unter Beteiligung der Dunklen Materie sichtbar werden könnte. [7] [8] Einzelnachweise und Fußnoten [Bearbeiten] 1. ↑ Klaas S. de Boer. Dunkle Materie. Weshalb? Wieviel? Wo?. www.astro.uni-bonn.de. Abgerufen am 15. April 2009. 2. ↑ M. J. Reid, A. Brunthaler, K. M. Menten, L. Loinard, J. Wrobel: Motions of Galaxies in the Local Group and Beyond: an Astro2010 Science White Paper arXiv:0902.3932v3 2009 3. ↑ J.H. Oort, Bull. Astr. Inst. Neth. VI, (1932) 249. 4. ↑ D. Clowe u. a.: A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter. In: The Astrophysical Journal. 648, 2006, S. L109-L113, doi:10.1086/508162. ISSN 0004-637x 5. ↑ weltderphysik.de Abgerufen am 30. August 2009 6. ↑ Informationsdienst Wissenschaft 7. ↑ Der Vorschlag von Taoso ist hier [1] vollständig einsehbar, abgerufen am 16. Dezember 2009. 8. ↑ Nach diesem Vorschlag betrifft die Wechselwirkung zwischen den hypothetischen sog. "WIMPs" (den "Weakly Interacting Massive Particles", welche die Dunkle Materie ausbilden sollen) und dem Higgs-Feld hauptsächlich die massereichsten Eichbosonen (das sog. Z-Boson, \,M_Z\approx 90 GeV/c2) und spezielle, sehr schwere Fermionen (das "top"-Quark, M_{\,TOP}\approx 171 GeV/c2) des Standardmodells, wodurch das Higgs-Teilchen, speziell dessen Masse, implizit sichtbar werden könnte, und zugleich wesentliche Konstituenten der Dunklen Materie. Siehe auch [Bearbeiten] * Dunkle Energie * Millennium-Simulation * Machsches Prinzip * Silk-Dämpfung Literatur [Bearbeiten] * David B. Cline: Die Suche nach Dunkler Materie. In: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg 10,2003,5 (Okt.), S.44–51. ISSN 0170-2971 * Wolfgang Rau: Auf der Suche nach der Dunklen Materie. in: Sterne und Weltraum. Heidelberg 44.2005,1, S.32–42. ISSN 0039-1263 * James Trefil: Fünf Gründe, warum es die Welt nicht geben kann. Rowohlt, Reinbek 1997. ISBN 3-499-19313-2 * Dan Hooper: Dunkle Materie – die kosmische Energielücke. Spektrum Akad. Verl., Heidelberg 2009. ISBN 3-8274-2030-X * Ken Freeman, Geoff McNamara: In search of dark matter. Springer, Berlin 2006. ISBN 0-387-27616-5 * Hans V. Klapdor-Kleingrothaus u.a.: Dark matter in astro- and particle physics. Springer, Berlin 2005. ISBN 3-540-26372-1 * David B.Cline: Sources and detection of dark matter and dark energy in the universe. Springer, Berlin 2001. ISBN 3-540-41216-6 Weblinks [Bearbeiten] * Literatur über Dunkle Materie in Bibliothekskatalogen: DNB, GBV * Was ist Dunkle Materie?, Flash oder Windows Media Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt) * Wie sucht man nach Dunkler Materie?, Flash oder Windows Media Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt) * Artikelsammlung zu Dunkler Materie und Weshalb gibt es Dunkle Materie? – Artikel von Welt der Physik * ISSI Publikation: In Search of the Dark Matter in the Universe (PDF, englisch; 695 kB) * MACHO’s sind out – Interview mit einem Dunkle Materie Forscher über Nachweismethoden und aktuelle Forschung, vom 29. Februar 2008 Commons Commons: Dunkle Materie – Sammlung von Bildern und/oder Videos und Audiodateien http://de.wikipedia.org/wiki/Dunkle_Materie |