Ein ziemlich rätselhafter Faktor unseres Universums ist Dunkle Materie. Alle Beweise, die wir dafür haben sind eher indirekt. Es gibt keine direkt überprüfbaren Hinweise, die uns ihre Existenz darlegen. Alles, was wir über sie wissen, lässt sich auf nicht-gravitative Wechselwirkungen zurückführen. Deswegen stellen sich Forscher oft die Fragen, inwiefern Dunkle Materie die Struktur unseres Universums erklären kann, wenn sie nur über Gravitationskraft interagiert. Dunkle Materie im Universum: Diese Rolle spielt sie für die Struktur im Kosmos Dunkle Materie erklärt für Forscher einiges in unserem Universum, was sonst für Verwirrung sorgen würde. Doch wie wichtig ist sie für die Struktur im Kosmos?
Dunkle Materie im Universum: So verhalten sich die Teilchen
Partikel der Dunklen Materie scheinen nicht miteinander zu interagieren. Sie wird nur durch die Schwerkraft gesteuert. Aber wie können dann die Partikel Dunkler Materie zu einer Wolke verschmelzen? Wieso sind die Partikel nicht hyperbolisch? Diese Frage ist so komplex, dass sie Physiker Ethan Siegel für uns beantworten möchte, um unseren rätselhaften Kosmos besser verstehen zu können.
In unserem Sonnensystem wird 99,8 Prozent der Masse unserer Sonne zugeschrieben. Nähert sich etwas anderes der Sonne und wird durch ihre Gravitation beeinflusst, gibt es vier mögliche Flugbahnen, die dieses Objekt einschlagen kann.
- Eine elliptische Umlaufbahn um die Sonne
- Eine kreisförmige Umlaufbahn um die Sonne: nur mit speziellen Umlaufbahnparameter möglich
- Eine parabolische Umlaufbahn um die Sonne: wenn das Objekt an der Grenze zwischen Gravitationsbindung und Ungebundenheit liegt
- Eine hyperbolische Umlaufbahn um die Sonne: nur ohne gebundene Schwerkraft
Dunkle Materie vs. normale Materie
Objekte, die nicht aus unserem Sonnensystem stammen, haben meist eine hyperbolische Umlaufbahn. Der Grund dafür ist, dass die Schwerkraft eine konservative Kraft ist. Sie wirkt nur auf die Flugbahn der fremden Objekte ein. Jedes Objekt, das nur durch Schwerkraft interagiert – dazu gehört auch ein Partikel der Dunklen Materie – tritt mit einer bestimmten Geschwindigkeit in unser Sonnensystem ein. Es nähert sich der Sonne und wird durch die Schwerkraft abgeleitet, bis es wieder aus dem System austritt.
Normale Materie bildet komplexe Strukturen wie Galaxien, Sternenhaufen oder einzelne Sonnensysteme. Sie kann nicht-gravitative Wechselwirkungen erfahren. Sie hat durch elektromagnetische und nukleare Kräfte folgende Eigenschaften:
- Unelastische Kollisionen: Partikel können sich binden und zusammensetzen
- Interaktion mit Strahlung: Energie abgeben oder Strahlung absorbieren, so ändert sich die kinetische Energie
- Energie abführen: Führt zu einer Art Gravitationskollaps, für Dunkle Materie nicht möglich
Zwei Phänomene des Universums
Teilchen der Dunklen Materie sind ein unveränderliches System. Wohingegen Teilchen normaler Materie miteinander interagieren können. Unser Universum selbst ist kein unveränderlicher Ort. Es gibt zwei Phänomene, die es zu beachten gilt:
- Es ist nicht statisch, sondern dehnt sich mit der Zeit aus.
- Auch die Strukturen des Universums wachsen mit der Zeit durch Gravitation
Diese beiden Punkte haben einen enormen Einfluss auf die Teilchen von Dunkler Materie. Denn sie stehen unter Einfluss einer massiven Struktur, auf die sie zufällig treffen. Wäre unser Universum so, wie es sich Albert Einstein vorgestellt hätte, dann wäre es statisch und zeitlich unveränderlich. In diesem Fall wären Teilchen der Dunklen Materie völlig von der Schwerkraft losgelöst. Würde ein Teilchen Dunkle Materie in einer Struktur fallen, würde es zu einem späteren Zeitpunkt wieder entweichen. Dieser Zustand gilt auch für Planeten, Sonnensysteme und Galaxien.
Wichtige Rolle bei der Struktur des Universums
Aber da sich unser Universum ausdehnt, verringert sich die kinetische Energie, die durch die Teilchen fließt. Außerdem wächst die Struktur im Laufe der Zeit, also wird auch die Gravitation wachsen. Teilchen, die ihren Weg hineinfinden, brauchen länger, um hinauszugelangen. Partikel der Dunklen Materie verhalten sich gravitativ in dieser Struktur.
Zwar verhalten sie sich nicht, wie normale Materie, dennoch tragen sie zur Struktur unseres Universums bei. Aber nur normale Materie kann mit der Zeit zerbrechen. Dunkle Materie hingegen bleibt in diffusen Lichthöfen und Filamenten zurück. Dunkle Materie hat einen klaren Effekt auf die Struktur des Universums, der nicht zu übersehen ist.
Es gibt sechs Anzeichen, die die Existenz von Dunkler Materie im Universum erklären. Bislang gab es noch keinen Tod durch Dunkle Materie.