Physiker haben lange versucht, dunkle Materie zu entdecken und einen tatsächlichen Blick auf die mysteriöse Substanz zu werfen, die ein Viertel des Universums ausmacht. Eine Idee für das, was sich unter dem Mantel der Unsichtbarkeit versteckt? Viele winzige, unscharfe Partikel, die sich wie ein gigantisches Partikel verhalten.
Die jüngste Jagd nach solchen unscharfen, ultraleichten Partikeln, die am 28. Februar im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht wurde, ist jedoch mit leeren Händen gelaufen.
Die Ergebnisse legen nahe, dass dunkle Materie, wenn sie wirklich aus diesen winzigen Partikeln besteht, so schwer fassbar ist, wie der Name vermuten lässt, und kaum mit gewöhnlicher Materie interagiert.
Herz der Dunkelheit
Dunkle Materie ist eines der bestgehüteten Geheimnisse des Universums. Das Zeug interagiert nicht mit Licht, übt jedoch eine Anziehungskraft auf andere Materie aus. Obwohl es ungefähr ein Viertel der Masse und Energie im Universum ausmacht, scheinen Wissenschaftler es nicht zu finden oder herauszufinden, woraus es besteht.
Viele Wissenschaftler spekulieren, dass dunkle Materie aus schwach wechselwirkenden massiven Partikeln, WIMPs, bestehen könnte. WIMP-Theorien kommen jedoch in mehrfacher Hinsicht zu kurz. Zum Beispiel sollten diese Teilchen kleine Strukturen im Netz von Galaxien verursachen, die Astronomen nicht gesehen haben. Stattdessen suchen einige Wissenschaftler in eine andere Richtung nach dunkler Materie - nach ultraleichten Partikeln.
Obwohl es viele Ideen gibt, was dunkle Materie sein könnte, hat keine von ihnen viele Belege, sagte Sergey Troitsky, Mitautor des Papiers und Forscher am Institut für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften. "Man muss also alle Möglichkeiten einzeln prüfen, studieren und ausschließen."
Einige Theorien der ultraleichten Materie, auch als unscharfe dunkle Materie bekannt, schlagen ein Teilchen vor, das etwa 10 bis 28 Mal heller als ein Elektron ist. Diese "unscharfe" dunkle Materie wird so genannt, weil sie aufgrund ihrer geringen Masse eher wie ein verschmiertes Teilchen mit Unschärfe wirkt Grenzen als eine Welle. Die neue Forschung testete einen Weg, um diese Arten von Partikeln im Licht von aktiven Galaxien zu suchen.
Da dunkle Materie einen so großen Teil des Universums ausmacht, muss es viele von ihnen geben, wenn sie aus ultraleichten Partikeln besteht. In der Tat so viele, dass sie in einem einzigartigen Zustand existieren würden, wie einem Feld oder einem Bose-Einstein-Kondensat - einem Zustand, in dem Partikel, oft bei ultrakühlen Temperaturen, zusammenklumpen und zusammenhängend wirken. Während einzelne Teilchen der dunklen Materie nicht mit Licht interagieren - weshalb Wissenschaftler Schwierigkeiten hatten, sie zu finden -, würde das Feld einen spürbaren Einfluss auf die Polarisation oder Orientierung des Lichts haben, wenn es durch den Raum wackelt. Dies würde auftreten, wenn die Dichte des Feldes regelmäßig schwingt, wodurch sich die Art und Weise ändert, in der sich das Licht durch die Region bewegt.
Die Theorie legt nahe, dass dieser Effekt in einer Region dunkler Materie mit einem Durchmesser von mindestens 325 Lichtjahren beobachtet werden kann. Die Schwingungsrate des Feldes hängt direkt von der Masse der ultraleichten Partikel der dunklen Materie ab. Als die Wissenschaftler diesen Effekt sahen, hofften sie, die Masse der dunklen Materie messen zu können.
Um nach Änderungen der Polarisation des Lichts aufgrund von Feldern ultraleichter dunkler Materie zu suchen, untersuchten die Wissenschaftler Archivdaten aus dem Very Long Baseline Array, einem Radioteleskop, das aus 10 (82 Fuß) (25 Meter) Teleskopen besteht, die von Socorro, New, aus betrieben werden Mexiko. Sie konzentrierten sich auf Licht aus den Herzen von 30 Galaxien, das riesige Mengen an Materie in Jets ausspuckt, die sich über Hunderte von Lichtjahren erstrecken können. Das Licht dieser Galaxien ist stark polarisiert und wurde gut untersucht, sodass bereits langfristige Archivdaten über sie verfügbar waren.
"Wir verwenden häufig astrophysikalische Daten aus veröffentlichten Veröffentlichungen oder öffentlich verfügbaren Datenbanken, um die Eigenschaften von Elementarteilchen einzuschränken", sagte Troitsky gegenüber Live Science. "Aber diesmal haben wir unsere Radioastronomen kontaktiert und sie haben ihre eigenen Daten eingegraben und Beobachtungsreihen sorgfältig für unsere Aufgabe ausgewählt."
Bei der Analyse von Daten aus zwei Jahrzehnten fanden die Wissenschaftler viele Schwingungen, aber nicht die Typen, nach denen sie suchten. Aktive galaktische Kerne pulsieren oft ohne regelmäßige Frequenz. Aber Schwingungen von ultraleichter dunkler Materie würden alle mit der gleichen Zeitdauer zwischen den Schwingungen auftreten.
Letztendlich sahen die Wissenschaftler keine Anzeichen von ultraleichter dunkler Materie, zumindest bei den Arten von Massen, die das Fehlen kleiner Strukturen im Netz der Galaxien erklären könnten. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie absolut nicht existieren.
"Es gibt keine Garantie dafür, dass ein Teilchen der dunklen Materie hat irgendein Interaktion mit der sichtbaren Welt neben der Schwerkraft ", sagte Troitsky." Es wäre sehr schwierig, ein solches Teilchen mit einer gewissen Masse und ohne andere Interaktion zu entdecken, obwohl dies in der Tat eine der einfachsten Möglichkeiten ist, dunkle Materie zu erklären. "
Während die neue Forschung konventionelle ultraleichte dunkle Materie unwahrscheinlich machen könnte, sind Forscher nicht bereit, dies auszuschließen.
"Das einzige, was wir über dunkle Materie sicher wissen, ist, dass sie außerhalb der bekannten Teilchenphysik liegt", sagte Rennan Barkana, ein Astronom an der Universität Tel Aviv in Israel, der nicht an der Studie beteiligt war. "Also, bis wir überzeugende Beobachtungsergebnisse für die Natur der Dunklen Materie haben, sollten wir vorsichtig mit Vermutungen und Spekulationen sein ... und offen sein."
