Beobachtung dunkler Materie im kosmischen Morgengrauen

Nach fast einem Jahrhundert der Spekulationen, Vorschläge und Suchen nach Dunkler Materie wissen Physiker nun, dass sie derzeit etwa 27 % der Massenenergie des Universums ausmacht, mit einer Häufigkeit, die mehr als fünfmal so groß ist wie die von gewöhnlicher Materie wie uns, Ozeanen und Exoplaneten.

Der größte Teil der Materie im Universum ist dunkel. Auf großen Skalen ist es kalt und kollidiert mit nichts, was wir erkennen. Deshalb wird es „kalte dunkle Materie“ genannt. Es wurden viele Kandidaten vorgeschlagen, die die großräumige Struktur des Universums erklären könnten, aber keiner wurde durch Experimente nachgewiesen.

Aber in kleineren Maßstäben kann die Dunkle Materie anders sein und unterschiedliche Signaturen hinterlassen, insbesondere im frühen Universum. Natürlich sind diese schwieriger zu beobachten.

Auch Baryonen wie Protonen und Neutronen gab es im frühen Universum, und ihre Wirkung muss von der jeglichen vorhandenen Dunklen Materie unterschieden werden; beides würde die Bildung kleinerer Strukturen beeinträchtigen.

Eine Menge Unstimmigkeiten existieren in galaktischen und subgalaktischen Entfernungen, und es ist nicht bekannt, ob all diese Diskrepanzen durch die Baryonenphysik erklärt werden können, während das Szenario der kalten Dunklen Materie beibehalten wird. Auf Längenskalen von einem Megaparsec oder weniger und Massenskalen kleiner als 100 Milliarden Sonnenmassen ist dies der Fall hat bewiesen nicht einfach zu machen.

Eine von Jo Verwohlt von der Universität Kopenhagen in Dänemark geleitete Gruppe hat nun gezeigt, dass es einen Weg gibt, dunkle Materie aufzudecken, indem sie eine stark rotverschobene Linie im Wasserstoffspektrum der ersten Sterne und Galaxien nutzt, die sich jetzt am äußersten Rand des Universums befinden Universum. Ihre Arbeit erscheint im Tagebuch Körperliche Untersuchung D.

Einige Vorstellungen über dunkle Materie gehen davon aus, dass sie mit dunkler Strahlung interagiert, die auch als dunkler Elektromagnetismus oder dunkle Photonen bezeichnet wird. Da Photonen in elektromagnetischen Kräften ausgetauscht werden, würde dunkle Strahlung die Wechselwirkungen zwischen dunklen Materieteilchen vermitteln.

Ebenso wie dunkle Materie würde dunkle Strahlung nicht mit den anderen Kräften des Standardmodells, der schwachen Kraft und der starken Kraft, interagieren. Es ist nicht bekannt, ob es dunkle Strahlung gibt; Ein Kandidat ist ein steriles Neutrino, falls es existiert.

Dunkle Strahlung könnte das dichte frühe Universum erhitzt haben, da heiße dunkle Strahlung mit dunkler Materie interagierte und deren Temperatur erhöhte. Die Erwärmung könnte ausgereicht haben, damit große Konzentrationen dunkler Materie „Halos aus dunkler Materie“ bilden, hypothetische Regionen, in denen die dunkle Materie gravitativ gebunden ist und sich von der Expansion des Universums abgekoppelt hat, lokal zusammengebunden ist und sich stattdessen als Ganzes stark ausdehnt wie Galaxien und Haufen heute.

Diese Halos würden sich vorübergehend und wiederholt dem gravitativen Kollaps widersetzen, Zyklen, die „dunkle akustische Schwingungen“ genannt werden – akustisch, weil es sich um Dichteschwankungen handelt, genau wie Schallwellen Schwankungen der Dichte von Luft oder einer anderen Flüssigkeit sind.

Diese Zyklen der Dunklen Materie wären schnell ausgestorben, hätten aber zunächst den Beginn der „kosmischen Morgendämmerung“ beeinflusst, als sich die ersten Galaxien aus gewöhnlicher Materie aus Urgas bildeten, das in die Halos gezogen wurde.

Verwohlt und ihr Team untersuchten, „wie gut wir die Eigenschaften der Dunklen Materie mithilfe des 21-cm-Leistungsspektrums bei z > 10 messen konnten.“ („z“ ist ein Rotverschiebungsparameter, den Astronomen verwenden, um anzugeben, wie schnell sich ein anderes Objekt oder eine Region aufgrund der kosmischen Expansion, dem Doppler-Effekt, der relativistische Geschwindigkeiten einschließt, von uns wegbewegt. Die Region, in der z=10 ist, dehnt sich mit 99,8 % der Geschwindigkeit aus Licht von der Erde entfernt.)

Bedingungen um die kosmische Morgendämmerung herum würden das 21-cm-Licht beeinflussen. (21-cm-Licht wird emittiert, wenn ein neutrales Wasserstoffatom mit einem Proton und einem Elektron von einem Zustand, in dem beide Teilchen ihre Spins in die gleiche Richtung haben, in einen Zustand übergeht, in dem der Elektronenspin dem unveränderten Protonenspin entgegengesetzt ist, a sogenannter Hyperfein-Spin-Flip-Übergang.)

Schon früh würde es zu einer Nettoabsorption (oder Emission) der 21-cm-Photonen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund durch die neutralen Wasserstoffatome im Medium zwischen Galaxien kommen.

„Somit kann die Entwicklung des 21-cm-Signals (sowohl global als auch Fluktuationen) genutzt werden, um auf das Vorhandensein einer Dämpfung der Dunklen Materie auf kleinen Skalen zu schließen“, schrieben sie.

Sie benutzten ein „effektive Theorie der Strukturbildung„Dies ermöglicht die Bestimmung der Bildung kosmologischer Strukturen in fast jedem mikrophysikalischen Modell der Dunklen Materie und Modellen anderer physikalischer Prozesse, um das 21-cm-Signal mit der Dichte der Sternentstehungsrate zu verknüpfen.

Ihr Endergebnis ergab, dass die Radioteleskop HERA In Südafrika würde die Beobachtung der rotverschobenen 21-Zentimeter-Linie fast anderthalb Jahre dauern, um festzustellen, ob dunkle akustische Schwingungen vorhanden sind, und um zwischen mehreren verschiedenen dunklen Modellmodellen zu unterscheiden.

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