Warum ist dunkle Materie nicht einfach gewöhnliche Materie?

Es gibt einen sehr genauen Grund, warum dunkle Planeten aus 'gewöhnlicher Materie' (Baryonen - Teilchen aus 3 Quarks) nicht die dunkle Materie sein können. Es stellt sich heraus, dass die Menge an Baryonen in der Kosmologie auf zwei verschiedene Arten gemessen werden kann:

• Durch Messung der heutigen Häufigkeit einiger leichter Elemente (insbesondere Deuterium), die sehr empfindlich auf die Baryonenmenge reagieren.
• Durch Messung der Verteilung der Hot- und Cold-Spots im Cosmic Microwave Background (CMB), Strahlung, die aus dem frühen Universum übrig geblieben ist, die wir heute beobachten.

Diese beiden Methoden stimmen auf spektakuläre Weise überein, und beide weisen darauf hin, dass Baryonen 5 % des gesamten Materials (Energie/Materie) im Universum ausmachen. Inzwischen zeigen verschiedene Messungen der Gravitations-Clusterbildung (Gravitationslinsenbildung, Rotation von Sternen um Galaxien usw. usw.), dass die Gesamtmaterie 25% der Gesamtmenge ausmacht. (Die restlichen 75 % befinden sich in der berüchtigten dunklen Energie, die für diese spezielle Frage irrelevant ist).

Da 5 % viel weniger als 25 % sind und da die Fehler bei diesen beiden Messungen ziemlich klein sind, folgern wir, dass der größte Teil der Materie, etwa 4/5 (d. h. 20 % von 25 %), „dunkel“ ist ' und besteht NICHT aus Baryonen.

Wie die obigen Antworten erwähnt haben, wurde der größte Teil der gewöhnlichen Materie als Kandidaten in Betracht gezogen, und wir sind uns ziemlich sicher, dass eine Art "dunkle" Materie am Werk sein muss.

Zunächst nehmen wir uns dem Phänomen des Gravitationslinseneffekts an. Ein sehr berühmtes Beispiel ist der Bullet-Cluster, bei dem Sie die Wirkung einer kompakten Masse, die als optische Linse wirkt, deutlich beobachten können. Eine Masse dieser Größenordnung kann nicht bequemerweise eine Ansammlung von Braunen Zwergen sein, und die meisten Schwarzen Löcher, die wir beobachten, haben viele Objekte, die umkreisen, und einen Partikelstrahl, der sie begleitet. Außerdem würde ein Schwarzes Loch kleiner Größe nicht ausreichen, um die Größe des fraglichen Gravitationslinseneffekts zu erklären.

Zweitens benötigen viel kompliziertere Berechnungen, die mit den Prinzipien der allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt werden, viel mehr Masse, um die aktuelle Form und Winkelgeschwindigkeit von Galaxien zu berücksichtigen. Es mag leicht sein zu sagen, dass GR falsch ist (was Sie einem Physiker nicht ins Gesicht sagen sollten), obwohl GR in dem Sinne unvollständig ist, dass es keine Theorie von allem ist, erklärt es dennoch die meisten Gravitationsphänomene ziemlich gut. Außerdem bedeutet die Tatsache, dass es Gravitationslinsen gibt, dass es in bestimmten Teilen unserer Galaxie und des Universums wirklich eine Art Masse oder Anziehungskraft (oder eher eine Anomalie der Raumzeitkrümmung) gibt.

Auch wenn dunkle Materie so mysteriös erscheint, können wir die meisten ihrer Eigenschaften aus unserem "Unwissen" erraten. Erstens, da es in allen Lichtspektren "unsichtbar" ist, können wir davon ausgehen, dass es nicht über elektromagnetische Kraft interagiert. Da es sich um eine Quelle der Gravitationskraft handelt, können wir sagen, dass es überraschenderweise über die Gravitationskraft interagiert. Berechnungen für schwache und starke Kräfte sind ziemlich kompliziert und sehr indirekt, also werde ich nur sagen, dass die meisten der derzeit vorgeschlagenen dunklen Materien auch über starke und schwache Kräfte interagieren.

Ein Planetensystem ohne Stern ist nur möglich, wenn der Stern als Neutronenstern, Schwarzes Loch oder Weißer Zwerg ausgestorben ist, die alle auf irgendeine Weise nachweisbar sind.

Außerdem müsste es eine unrealistische Menge dieser "verblichenen" Sternensysteme geben, um die verlorene Masse überhaupt zu erklären. Und unter der Annahme, dass solche Planetensysteme ziemlich selten sind, würden wir eher eine ungewöhnliche Form von Materie in Betracht ziehen, die durchaus möglich und plausibel ist, wenn sie gefunden wird.

Alle Materie, von der wir wissen , dass sie existiert (als baryonische Materie bezeichnet), sendet eine Art elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Frequenz aus. Manchmal wird es in Infrarotstrahlung gemessen, weil Materie, egal wie kalt, immer noch eine gewisse Menge an Wärme abstrahlt. Nach unserem besten Wissen ist es nicht möglich, Materie auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen, und es geschieht sicherlich nicht auf natürliche Weise. Ich glaube, die kühlste bekannte Materie im Universum hat etwa 3 Grad Kelvin. Andere Wellenlängen können die genaue Natur der fraglichen Materie und ihre Temperatur bestimmen. Beispielsweise leuchtet ionisierter Sauerstoff bei einer bestimmten Wellenlänge im sichtbaren Licht – das ist eines der Dinge, die Emissionsnebel sichtbar machen.

Nachdem wir also all diese Materie in anderen Galaxien gemessen haben, haben wir festgestellt, dass es einfach nicht genug Masse gibt, um zu verhindern, dass sie auseinanderfallen (nämlich, Sterne innerhalb von Galaxien bewegen sich schneller als die Fluchtgeschwindigkeit der Gravitationskraft des Massenzentrums von der Galaxie) - besonders wenn wir versucht haben, Computermodelle von Galaxien zu erstellen. Das war der erste Hinweis darauf, dass etwas vor sich ging, das wir nicht ganz verstanden. Wie andere beschrieben haben, haben andere Methoden zur Bestimmung der Gesamtmasse einer Galaxie ähnliche Ergebnisse gezeigt.

Daher gibt es nur eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen: Es muss irgendeine Art von Materie geben (und alle Materie hat Masse), die wir nicht erkennen können. Tatsächlich beträgt die Masse, die auf diese Weise nicht erklärt werden kann, etwa 95 % der Masse einer bestimmten Galaxie. Das ist natürlich eine ziemlich große Sache.

Übrigens haben wir seit 1933 versucht, diese sehr große Diskrepanz herauszuarbeiten. Der Unterschied zwischen jetzt und damals besteht darin, dass sich die Genauigkeit unserer Messungen der Geschwindigkeit von Sternen in anderen Galaxien verbessert hat, ebenso wie unsere Fähigkeit, andere Phänomene zu messen innerhalb von Galaxien und Galaxienhaufen geschieht. Je genauer wir in unseren Messungen wurden, desto deutlicher wurde diese eklatante Diskrepanz.

Die Möglichkeit großer dunkler Objekte aus normaler baryonischer Materie wurde in Betracht gezogen. Diese werden MACHOs genannt .

Es gibt jedoch verschiedene Gründe zu der Annahme, dass der größte Teil der Dunklen Materie nicht in Form von MACHOs vorliegen kann. Aus dem obigen Wikipedia-Artikel (der auf einige relevante Zeitschriftenartikel verweist):

Der Urknall, wie er derzeit verstanden wird, konnte einfach nicht genug Baryonen produzieren, ohne größere Probleme bei der beobachteten Elementhäufigkeit zu verursachen, [6] einschließlich der Häufigkeit von Deuterium. [7] Darüber hinaus setzen getrennte Beobachtungen von akustischen Baryonen-Oszillationen sowohl im kosmischen Mikrowellenhintergrund als auch in der großräumigen Struktur von Galaxien Grenzen für das Verhältnis von Baryonen zu Gesamtmaterie. Diese Beobachtungen zeigen, dass unabhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit von MACHOs ein großer Anteil an nicht-baryonischer Materie notwendig ist.

Alle möglichen schwachen/zwergartigen/abgestorbenen Sterne, interstellaren Medien (Gas, Staub, Molekülwolke usw.) wurden berücksichtigt. Aber sie sind nicht genug. Der Rest kann nur etwas sein, was wir vorher nie wissen. Wir erwarten einige unbekannte neue Teilchen.

Das wichtigste fehlende Glied ist die Existenz einer Klasse von Partikeln, die abgesehen von der Schwerkraft ausreichend schwach interagieren, um den Bedarf zu decken. Wir kennen bereits eine Teilchenart, die die meisten dieser Eigenschaften aufweist, Neutrinos. In diesem Fall haben Physiker und Kosmologen theoretische Gründe zu der Annahme, dass die Obergrenze für die Masse von Neutrinos zu klein ist. Aber die bloße Existenz einer Klasse schwach wechselwirkender Teilchen sollte die Möglichkeit einer anderen weniger neu erscheinen lassen.

Als Erweiterung zu den anderen Antworten haben astrophysikalische Simulationen auch eine Rolle dabei gespielt, bekannte Teilchen von Erklärungen der Dunklen Materie auszuschließen.

Zunächst eine Klarstellung: Es muss zwischen der nicht-baryonischen Materie, die in den meisten Antworten angesprochen wird, und „unentdeckten und unerklärten Formen der Materie“ unterschieden werden. Zu den Gründen, warum der größte Teil der Dunklen Materie nicht-baryonisch sein muss, gehören Argumente, die die CMB- und Urknall-Nukleosynthese betreffen, wie von anderen erwähnt. Nicht-baryonische (aber bekannte Materie) wie die bekannten Aromen von Neutrinos schienen jedoch faire Kandidaten für dunkle Materie zu sein, selbst nachdem baryonische Materie weitgehend ausgeschlossen wurde. Später wurden Neutrinos durch andere Beweisquellen ausgeschlossen.

Eine der frühen Quellen solcher Beweise, die Neutrinos ausschlossen, waren tatsächlich Computersimulationen der großflächigen Strukturbildung. In einem interessanten historischen Essay, der von Simon White geschrieben wurde (und heute, am 19.06.18 auf arXiv veröffentlicht wurde):

... die großen Hohlräume [die in Simulationen neutrinodominierter Universen gefunden wurden] in der Galaxienverteilung waren selbst mit den relativ mageren Beobachtungsdaten von 1983 nicht kompatibel. Diese Diskrepanz führte sogar dazu, dass die bekannten Neutrinos als potenzielle Kandidaten für dunkle Materie aufgegeben wurden obwohl es weitere zwei Jahrzehnte dauern würde, bis sie endgültig durch experimentelle Obergrenzen für ihre Masse ausgeschlossen wurden. Der Nachweis, dass kein bekanntes Teilchen die dunkle Materie erklären kann, bleibt einer der bedeutendsten Beiträge von Computersimulationen zur Astrophysik und Kosmologie.

Siehe den Aufsatz hier .

Sie können die Gesamtmasse mithilfe von Gravitationslinsen schätzen und mit der geschätzten Masse einer Galaxie vergleichen, indem Sie die Massen aller sichtbaren Sterne addieren und großzügige Schätzungen anderer Arten gewöhnlicher Materie vornehmen, die dort vorhanden sein könnten. Es gibt noch eine große Diskrepanz.

Wenn die zusätzliche Masse gewöhnliche Materie wäre, würde sie verklumpen und mit Photonen interagieren, was beides zu einer viel weniger diffusen Verteilung führen würde als die, die angenommen werden muss, um die Galaxiendynamik richtig zu machen.