Das unglaubliche Geheimnis der Dunklen Materie: Warum Astronomen sagen, dass es in Aktion fehlt

Astronomen haben ein Problem. Wann immer sie die großräumige Struktur des Universums untersuchen, wird schnell klar, dass die Menge an sichtbarer Materie unmöglich genug Gravitation erzeugen kann, um die Strukturen, die sie sehen können, zusammenzuhalten. Dinge wie Galaxienhaufen und sogar Galaxien selbst sollten angesichts der Menge an gewöhnlicher Materie, die sie enthalten, auseinander fliegen.

Etwas anderes muss diese Dinge zusammenhalten. Also haben sich Astronomen die Idee der Dunklen Materie ausgedacht – mysteriöses, unsichtbares und nicht wechselwirkendes Zeug, das das Universum füllt und die Gravitation erzeugt, die notwendig ist, um alles zusammenzuhalten.

Dies ist kein kleines Problem, das eine winzige Menge zusätzlicher Masse erfordert. Das Problem ist riesig. Laut dem neuesten Bild der großräumigen Struktur des Universums aus der Planck-Weltraummission macht gewöhnliche sichtbare Materie nur 5 Prozent der gesamten Masse/Energie des Universums aus, während dunkle Materie 27 Prozent ausmacht (der Rest ist die noch mysteriösere dunkle Energie).

Damit die Zahlen funktionieren, sagen uns Astrophysiker, dass unsere Galaxie zu mindestens 80 Prozent aus dunkler Materie bestehen sollte.

Das bedeutet, dass unser Sonnensystem im Zeug schwimmen sollte. Tatsächlich haben Physiker berechnet, dass Teilchen der Dunklen Materie mit einer Geschwindigkeit von 100.000 Mal pro Jahr auf jeden Menschen auf dem Planeten treffen sollten, wie wir letztes Jahr gesehen haben .

Aber das wirft eine wichtige Frage auf. Wenn wir durch ein dichtes Meer dunkler Materie pflügen, wie Astrophysiker vermuten, warum sehen wir dann keine Beweise dafür?

Die meisten Detektoren für dunkle Materie arbeiten, indem sie nach Beweisen für die Kollisionen suchen, die dunkle Materie mit gewöhnlicher Materie machen muss. Einige dieser Experimente sagen, dass sie vorläufige Beweise für diese Kollisionen gefunden haben.

Aber es gibt noch einen anderen Weg, um nach Dunkler Materie zu suchen – durch ihre Gravitationswirkungen auf das Sonnensystem selbst. Wenn die Sonne von einer dicken Suppe aus dunkler Materie umgeben ist, sollten wir ihren gravitativen Einfluss auf die Umlaufbahnen der Planeten, Monde und Asteroiden sehen können.

Heute haben Nikolay Pitjev von der Staatlichen Universität St. Petersburg und Elena Pitjeva vom Institut für Angewandte Astronomie in St. Petersburg, beide in Russland, die detailliertesten Messungen von Planetenbahnen verwendet, die jemals gemacht wurden, um diese Frage zu untersuchen. Ihre Schlussfolgerung ist, dass die Gravitationswirkung der Dunklen Materie auf das Sonnensystem vernachlässigbar ist.

Pitjev und Pitjeva haben einen beeindruckenden Datensatz zusammengestellt, der aus rund 677.000 Messungen von Planetenpositionen seit 1910 besteht. Dazu gehören optische Messungen von Observatorien auf der Erde, Messungen von verschiedenen Raumfahrzeugen wie Cassini bei Saturn und den Missionen Mars und Venus Express sowie verschiedene russische Radarmessungen von Planetenpositionen zwischen 1961 und 1995.

Diese Daten wurden in den letzten Jahren immer genauer. Zum Beispiel geben die Daten von Cassini seine Entfernung zum Saturn auf etwa einen Meter genau an.

Astrophysiker haben diese Messungen verwendet, um das Verhalten des Sonnensystems zu modellieren, wobei die Störungen berücksichtigt wurden, die von den großen Planeten, dem Mond, den 301 größten Asteroiden, den anderen Asteroiden, die als einheitlicher Ring modelliert wurden, den 21 größten transneptunischen Objekten und bald.

Unter Berücksichtigung all dessen suchten Pitjev und Pitjeva nach anomalen Gravitationseffekten, die auf dunkle Materie zurückzuführen sein könnten. Wenn im Sonnensystem dunkle Materie vorhanden ist, sollte dies zu einem zusätzlichen gravitativen Einfluss auf alle Körper führen, sagen sie.

Die rätselhafte Nachricht ist, dass Pitjev und Pitjeva in ihrer Analyse keine Beweise für dieses Zeug finden. Wenn sie vorhanden ist, muss ihre Auswirkung kleiner sein als die Fehler in den Daten.

Um diese Grenze zu erfüllen, berechnen sie, dass die Menge an Dunkler Materie innerhalb der Umlaufbahn des Saturn winzig sein muss. Die Masse der Dunklen Materie in der Kugel innerhalb der Saturnbahn sollte weniger als 1,7 10^−10 M⊙ betragen, heißt es. Das ist ungefähr die Masse eines großen Asteroiden.

Also kratzen sich die Astronomen am Kopf. Einerseits sagen sie, dunkle Materie müsse unsere Galaxie mit einem schraubstockähnlichen Gravitationsgriff zusammenhalten. Andererseits ist seine Gravitationswirkung auf das Sonnensystem vernachlässigbar. Etwas muss geben.

Dieses Problem der widersprüchlichen Effekte dunkler Materie auf verschiedenen Skalen entwickelt sich schnell zum faszinierendsten und dringendsten Problem der Physik und Astronomie.

Forscher geben derzeit viel Geld aus, um riesige Experimente zur Suche nach dunkler Materie in unserer Nähe zu entwerfen, zu bauen und durchzuführen. Dennoch deuten die bereits aus anderen Quellen gesammelten Beweise, wie beispielsweise diese Analyse von Pitjev und Pitjeva, darauf hin, dass diese Investition eine sehr schlechte Rendite erzielen kann.

Das wird sie nicht davon abhalten zu suchen und sollte es auch nicht. Aber das Problem der Dunklen Materie wird in den kommenden Monaten und Jahren wahrscheinlich erhebliche Kontroversen auslösen.

Ref: arxiv.org/abs/1306.5534 : Einschränkungen der Dunklen Materie im Sonnensystem

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