Die Kosmologie - die Wissenschaft vom Ursprung und der Entwicklung des Universums - hat in den letzten Jahren Fortschritte gemacht. Viele Fragen bleiben jedoch offen.
Daya Bay Neutrino Experiment, ein Joint Venture zwischen China und den USA (Foto der Dokumentation des Baus). Dieses Experiment soll sterile Neutrinos nachweisen. Bild über Roy Kaltschmidt vom Lawrence Berkeley National Laboratory.
Was sind die mysteriösen dunklen Materien und dunklen Energien, die so viel von unserem Universum ausmachen? Warum dehnt sich das Universum aus? In den letzten 30 Jahren haben die meisten Kosmologen nach einer Theorie aus der Teilchenphysik gesucht, die als Standardmodell bezeichnet wird, um Antworten auf diese Fragen zu erhalten. Es ist ihnen gut gelungen, Beobachtungsdaten mit dieser Theorie abzugleichen. Aber nicht alles passt zu den Vorhersagen, und Kosmologen fragen sich, warum die Diskrepanzen bestehen. Interpretieren sie die Beobachtungen falsch? Oder ist ein grundlegenderes Umdenken erforderlich? Diese Woche (7. Juli 2015) trafen sich Kosmologen auf einer Sondersitzung beim National Astronomy Meeting (NAM) 2015 in Wales, um eine Bestandsaufnahme der Beweise vorzunehmen und die weitere Untersuchung der Kosmologie über das Standardmodell hinaus anzuregen.
Dunkle Materie soll etwa ein Viertel der Masse unseres Universums ausmachen, und doch weiß niemand, was es ist. Der beliebteste Kandidat für die Dunkle Materie ist Cold Dark Matter (CDM). Es wird angenommen, dass sich CDM-Partikel im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit langsam bewegen und sehr schwach mit elektromagnetischer Strahlung interagieren.
Bisher ist es jedoch niemandem gelungen, kalte dunkle Materie aufzuspüren. Diese Woche präsentierte Sownak Bose vom Institut für Computational Cosmology (ICC) der Durham University auf der NAM 2015 neue Vorhersagen für einen anderen Kandidaten für die Dunkle Materie, den steriles Neutrino, die möglicherweise kürzlich entdeckt wurden. In einer Erklärung der Royal Astronomical Society vom 6. Juli sagte er:
Die Neutrinos sind insofern steril, als sie noch schwächer als gewöhnliche Neutrinos interagieren. Ihre vorherrschende Wechselwirkung erfolgt über die Schwerkraft.
Der Hauptunterschied zu CDM besteht darin, dass sterile Neutrinos unmittelbar nach dem Urknall vergleichsweise höhere Geschwindigkeiten als CDM hatten und sich daher in zufällige Richtungen von ihrem Geburtsort wegbewegen konnten. Strukturen im sterilen Neutrinomodell werden im Vergleich zu CDM verwischt und die Häufigkeit von Strukturen in kleinen Maßstäben wird verringert.
Indem wir modellieren, wie sich das Universum von diesem Ausgangspunkt aus entwickelt hat, und die Verteilung heutiger Strukturen wie Zwergmassengalaxien untersuchen, können wir testen, welches Modell - sterile Neutrinos oder CDM - am besten zu Beobachtungen passt.
Größer anzeigen. | Vergleich von Cold Dark Matter (CDM) und sterilen Neutrino-Simulationen von milchstraßenähnlichen Halos aus dunkler Materie (dem unsichtbaren „Skelett“, in dem sich die Galaxie tatsächlich bilden wird). Bild über M Lovell / ICC Durham.
Die Aussage ging weiter:
Im vergangenen Jahr entdeckten zwei unabhängige Gruppen mit den Röntgenteleskopen Chandra und XMM-Newton eine ungeklärte Emissionslinie bei Röntgenwellenlängen in Galaxienhaufen.
Die Energie der Linie stimmt mit den Vorhersagen für die Energien überein, bei denen sterile Neutrinos im Laufe der Lebensdauer des Universums zerfallen würden. Bose und Kollegen ... untersuchen anhand hoch entwickelter Modelle der Galaxienbildung, ob steriles Neutrino, das einem solchen Signal entspricht, dazu beitragen kann, die wahre Identität der Dunklen Materie zu ermitteln.
Nicht jeder glaubt, dass zusätzliche Masse aus dunkler Materie benötigt wird, um Beobachtungen zu erklären. Indranil Banik und Kollegen von der University of St. Andrews sagten auf der Sondersitzung, dass sie glauben, dass eine modifizierte Theorie der Schwerkraft die Antwort sein könnte. Banik sagte:
In großem Maßstab dehnt sich unser Universum aus - weiter entfernte Galaxien entfernen sich schneller von uns.
Auf lokaler Ebene ist das Bild jedoch verwirrender. Wir stellten fest, dass die Ausführung unseres Modells unter Berücksichtigung der Newtonschen Schwerkraft nicht sehr gut zu den Beobachtungen passte. Einige lokale Gruppengalaxien bewegen sich so schnell nach außen, dass es so aussieht, als ob die Milchstraße und Andromeda überhaupt keine Anziehungskraft ausüben!
Die St. Andrews-Gruppe schlägt vor, dass diese sich schnell bewegenden Ausreißer durch die Anziehungskraft einer engen Begegnung zwischen der Milchstraße und Andromeda vor etwa 9 Milliarden Jahren erklärt werden könnten. Die sehr schnellen Bewegungen der beiden Galaxien beim Vorbeiflug aneinander mit einer Geschwindigkeit von 600 km / s (370 Meilen pro Sekunde) hätten bei anderen Galaxien in unserer lokalen Galaxiengruppe gravitative Schleudereffekte verursacht.
Diese Woche wurde bei der Sondersitzung zur Kosmologie auf der NAM 2015 auch die Menge der Dunklen Energie im Universum zur Debatte gestellt. Der erste Hinweis auf Dunkle Energie - ein Energiefeld, das die Expansion des Universums beschleunigt - kam durch Messungen von Supernovae vom Typ Ia, die von Astronomen als Standardkerzen zur Bestimmung von Entfernungen verwendet werden.
Es gibt jedoch zunehmend Hinweise darauf, dass es Supernovae vom Typ Ia nicht gibt Standardkerzen und dass die genaue Helligkeit, die diese explodierenden weißen Zwergsterne erreichen, von der Umgebung in der Wirtsgalaxie abhängt.
Der Kosmologe Peter Coles von der University of Sussex, der diese Woche die Sondersitzung zum Thema Kosmologie einberief, kommentierte:
Obwohl die Kosmologie in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht hat, bleiben viele Fragen unbeantwortet und in der Tat viele Fragen offen. Dieses Treffen ist eine gute Gelegenheit, um einige der Lücken in unserem derzeitigen Verständnis und einige der Ideen zu untersuchen, die vorgebracht werden, wie diese Lücken geschlossen werden könnten.
Insgesamt wird angenommen, dass dunkle Energie den größten Teil der Masse und Energie im Universum beiträgt. Ungefähr ein Viertel besteht aus dunkler Materie, die nur wenige Prozent des Universums aus regulärer Materie wie Sternen, Planeten und Menschen zusammensetzt. Kreisdiagramm über die NASA
Fazit: Die Kosmologie hat in den letzten Jahren Fortschritte gemacht, aber viele Fragen bleiben offen. Diese Woche auf der NAM 2015 in Wales trafen sich Kosmologen in einer Sondersitzung, um einige der größten Fragen der modernen Theorien des Universums zu diskutieren.