Unser Universum ist eine sehr seltsame Mischung
Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass nur 5% des Universums aus Planeten, Sternen und Gasen besteht
Forscher der University of Pennsylvania, des Institute for Advanced Study in Princeton, New York, und der University of Colorado at Boulder werden ihre neuen Ergebnisse kommenden Monat in der Physics Review D veröffentlichen.
"Our universe is a very strange cosmic cocktail," meint der Autor Max Tegmark, "the 95 percent of the universe that's not matter like we see around us is matter that can't be seen at all -- matter of a type that still mystifies astronomers and cosmologists."
Die Summe der Masse der Galaxien entspricht nicht der Masse, die nötig wäre, um die Bewegungen im All aufgrund der Gravitation zu erklären. Das ist seit den 30er Jahren bekannt, und damit ist klar, dass da draußen Materie sein muss, die nicht gesehen werden kann, aber als Gravitationswechselwirkung beobachtet werden kann.
Die meisten Physiker stellen sich dunkle Materie als eine große Menge von freien Elementarteilchen vor, die kollisionsfrei existieren, d.h. sie interagieren nur mit der Gravitation und sich selbst. Neue Forschungsergebnisse vermuten, dass sie auch kollidieren, also immer wieder aneinander stoßen. Am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) wurden aufwändige Computersimulationen auf einem Großrechner durchgeführt, um herauszufinden, wie derartige elastische Kollisionen zwischen den Teilchen der dunklen Materie die beobachtbare Struktur von Galaxienhaufen beeinflussen. Dabei zeigte sich, dass die Kollisionen der Teilchen deutlich die Struktur des gebildeten Galaxienhaufens beeinflussen. Mehr Kollisionen führen im Allgemeinen zu runderen und weniger konzentrierten Galaxienhaufen.
Verschiedene Simulationen unterschiedlicher Kosmologien und Typen der dunklen Materie verweisen immer wieder auf das dasselbe offenbar generische Dichteprofil von Navarro/Frenk/White, das 1997 in The astrophysical journal veröffentlicht wurde.
Die ganze Theorie ist Teil der Vorstellungen über die Entstehung des Universums. Seit dem Big Bang vor 14 Milliarden Jahren breitet sich das Licht zusammen mit Materie aus, eine riesige Strömung von Mikrowellen, die kosmische Hintergrundstrahlung. Ein "Little Bang"-Experiment erzeugte vergangenes Jahr erstmals unter Laborbedingungen im Zentrum für Elementarteilchenforschung CERN Materie, indem Atomkerne mit hoher Geschwindigkeit zur Kollision gebracht wurden. Es entstand Quark-Gluonen-Plasma, das nur in extremer Hitze existiert, nach Abkühlung wurden die Quarks und Gluonen zu den Bausteine des Atoms: Neutronen und Protonen.
Die Feststellung der Forschergruppe um Max Tegmark, dass es nur 5% Materie im Universum gibt, beruht auf Beobachtungen, wie bestimmte Elemente, etwa Helium und Wasserstoff, sich während des Urknalls und seither verhalten haben, bzw. wie sie entstanden sind. Tegmarks Team benutzt dreidimensionale Karten, zu deren Herstellung Galaxien innerhalb von 4 Milliarden Lichtjahren Umkreis von der NASA/NIVR/SRC mittels astronomischer Satelliten gescannt wurden.
Dunkle Materie bleibt geheimnisvoll, die Forschergruppe vermutet, dass etwa 33% kalte dunkle Materie sind. Nur etwa 0,1% des Masse sind heiße dunkle Materie, hauptsächlich Neutrinos, ungeladene schnelle Partikel, die auch feste Materie durchdringen können. Die verbleibenden 62% sind wahrscheinlich etwas wie dunkle Energie, die im Gegensatz zur kalten dunklen Materie sich nicht zufällig durchs Universum bewegt, sondern sich gleichbleibend ausdehnt. Über dunkle Energie wird seit vergangenem Jahr spekuliert, als das Verhalten bestimmter Supernovas die sich ständige beschleunigende Expansion des Universums bestätigte.
"A few years ago, it was widely believed that the universe ran a 'budget deficit' and that this 62 percent of the cosmic energy budget wasn't even there," sagt Co-Autor Andrew Hamilton von der University of Colorado. "But according to Einstein's theory of gravity, such a budget deficit would curve space much more than has been observed, so that possibility is now excluded."
Die kosmische Hintergrundstrahlung, die ein Überbleibsel des Urknalls ist, wird von den meisten Astrophysikern inzwischen der dunklen Energie zugeschrieben, es gibt aber auch die Gegenhypothese, dass dieses Mikrowellen-Spektrum den Vorhersagen der "modifizierten Newtonschen Dynamik" (MOND) entspreche. MOND wurde 1983 von Moti Milgrom vom Weizmann-Institut in Israel vorgeschlagen, jetzt vertritt sie hauptsächlich Stacy McGaugh von der University of Maryland. Sie führt eine neue Naturkonstante ein, um die Anziehungskräfte in Galaxien ohne die Annahme von dunkler Materie zu erklären. Nach der MOND-Theorie unterscheiden sich die schwere Masse, die bestimmt, welche Gravitationskraft ein Körper erfährt und die träge Masse eines Körpers, d.h. wie er sich einer beschleunigenden Kraft widersetzt, bei sehr geringen Beschleunigungen, wie sie innerhalb von Galaxien oder Galaxienhaufen auftreten. Allerdings wird dieser Ansatz nur von wenigen Astrophysikern unterstützt.