Rätsel der fehlenden Masse: Dunkle Materie und Dunkle Energie

Dunkle Materie und dunkle Energie im Kosmos — WMAP-Himmelsscans zeigen, dass das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist (mit einer Genauigkeit von 1 %), aus 68,3 % dunkler Energie, 26,8 % kalter dunkler Materie und nur 4,9 % Atomen besteht. Karte der kosmischen Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds aus der Zeit etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. Die Farben sind künstlich und weisen geringfügige Temperaturschwankungen auf. Bildquelle: (gemeinfrei) WMAP Science Team, NASA

Das Geheimnis der 95 % der unsichtbaren Materie und Energie

Wenn wir Galaxien, Galaxienhaufen oder sogar den kosmischen Mikrowellenhintergrund beobachten, ist für Kosmologen eines klar: Die Gesetze der Gravitation reichen nicht aus, um die Beobachtungen zu erklären. Die sichtbare Materie, also das, was die Sterne, die Planeten und uns selbst ausmacht, stellt jedoch nur dar4,9 %des Universums. DER95,1 %Die übrigen bestehen aus zwei unsichtbaren und mysteriösen Wesenheiten: demdunkle Materieund diedunkle Energie.

Übersichtstabelle der Bestandteile des Universums

Geschätzte Zusammensetzung des Universums (Planck 2018)
Komponente	Anteil	Physische Natur	Erkennungsmodus
Baryonische Materie	4,9 %	Atome, Plasma, Staub	Emission, Absorption, sichtbares Licht, Röntgenstrahlen
Dunkle Materie	26,8 %	Unbekannt (WIMPs? Axionen? Neutrinos?)	Gravitationseffekte (langsame galaktische Rotationsgeschwindigkeiten, Gravitationslinsen)
Dunkle Energie	68,3 %	Unbekannt (Quantenvakuum? Kosmologische Konstante?)	Beschleunigung der kosmischen Expansion, Supernovae Ia

Quelle:ESA-Planck-Mission (neues Fenster), Ergebnisse 2018.

Dunkle Materie: ein unsichtbarer Gravitations-Halo

Abgeleitet aus der galaktischen Rotation und der Clusterdynamik stellt die Dunkle Materie ungefähr dar26,8 %der Gesamtenergie des Universums. Es emittiert, absorbiert oder reflektiert kein Licht. Seine Anwesenheit wird nur durch seine Gravitationseffekte verraten, wie zungewöhnliche Langsamkeitder Abnahme der Geschwindigkeit von Sternen mit der Entfernung vom galaktischen Zentrum. Es wurden verschiedene Hypothesen vorgeschlagen: massive Neutrinos, Axionen, WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), aber bisher wurde kein Kandidat entdeckt.

Theorien zur Natur der Dunklen Materie

Das Fehlen eines direkten Nachweises dunkler Materie regt eine Vielfalt theoretischer Modelle an, die von supersymmetrischen Teilchen bis hin zu Erweiterungen des Gravitationsfeldes reichen. Diese Hypothesen versuchen, seine Eigenschaften zu erklären: gravitativ, aber nicht elektromagnetisch, massiv, aber nicht sichtbar.

Theoretische Hypothesen zur Dunklen Materie
Kandidat	Natur	Theoretischer Ursprung	Experimenteller Status
Weicheier	Schwach interaktive massive Teilchen	Supersymmetrie (SUSY), Neutralinos	Nicht erkannt (XENONnT, LUX-ZEPLIN)
Axionen	Sehr leichte, pseudoskalare Teilchen	Peccei-Quinn-Theorie, QCD	Aktuelle Forschung (ADMX, MADMAX)
Sterile Neutrinos	Inerte Neutrinos interagieren nur durch die Schwerkraft	Erweiterung des Standardmodells	Nicht bestätigt, aber im Einklang mit einigen Anomalien
Selbstinteraktive Dunkle Materie (SIDM)	Teilchen, die sich zwischen ihnen vernichten oder diffundieren	Galaktische Strukturmodelle	Tests zu Clusterdichteprofilen
Ultraleichtes schwarzes Material (Fuzzy DM)	Bosonen mit Masse ~\(10^{-22}\) eV	Kosmologisches Bose-Einstein-Kondensat	Auswirkungen auf großräumige Halos
MACHOs	Nicht leuchtende kompakte astrophysikalische Objekte	Schwarze Löcher, Braune Zwerge, tote Sterne	Ausgenommen für den Großteil der schwarzen Masse (Mikrolinsen)
MOND / TeVeS	Änderungen in der Newtonschen Dynamik	Alternative Theorien zur Dunklen Materie	Unfähigkeit, Gravitationslinsen zu reproduzieren
Dunkle Sektorpartikel (Hidden Sector DM)	Teilchen, die über nicht standardmäßige Kräfte interagieren (z. B. dunkle Photonen)	Erweiterungen des Standardmodells, teilweise aus der Stringtheorie	Sehr schwache Interaktionen mit unserem Sektor, indirekte Forschung im Gange
Ursprüngliche Schwarze Löcher (PBH)	Während der Inflationszeit bildeten sich schwarze Löcher	Inflationsmodelle mit lokalen Dichteschwankungen	Gravitativer Mikrolinseneffekt, Gravitationswellen (LIGO/Virgo)
Spiegelmaterial	Nachbildung des Standardmodells im Spiegelbereich	Inspiration durch Symmetrie \( \mathbb{Z}_2 \), Respekt vor der Parität	Möglicherweise nachweisbar durch Neutrino-Oszillationen oder thermische Effekte

Quellen:Bertone & Tait (2018) (neues Fenster), LUX-ZEPLIN-Zusammenarbeit (2022) (neues Fenster), Fuzzy Dark Matter Rezension (2020) (neues Fenster).

Dunkle Energie: die Kraft der kosmischen Beschleunigung

Dunkle Energie wurde indirekt durch die Untersuchung von Supernovae vom Typ Ia in den 1990er Jahren entdeckt68,3 %des Universums. Es wäre für die Beschleunigung der kosmischen Expansion als eine Form der kosmischen Antigravitation verantwortlich. Modelliert durch die kosmologische Konstante \(\Lambda\) in Einsteins Gleichungen stellt es unser Verständnis von Quantenfeldern und dem Vakuum selbst in Frage. Die Dichte dieser Energie scheint im Laufe der Zeit konstant zu bleiben, was ihren Ursprung zutiefst rätselhaft macht.

Theorien über die Natur der dunklen Energie

Dunkle Energie ist eines der großen Geheimnisse der Kosmologie. Mehrere Modelle versuchen, seine abstoßende Wirkung auf die Ausdehnung des Weltraums zu erklären, entweder als eine intrinsische Eigenschaft des Vakuums oder als Manifestation einer tieferen oder geometrischen Dynamik des Universums.

Theoretische Hypothesen über dunkle Energie
Modell	Beschreibung	Komponente (\(w\))	Experimentelle Tests
Kosmologische Konstante (\(\Lambda\))	Vakuumenergie, konstante Dichte	\(w = -1\)	Übereinstimmung mit Planck-Daten, SDSS, SN Ia
Quintessenz	Dynamisches Skalarfeld mit langsamem Potential	\(-1 < w < -\frac{1}{3}\)	Euklid-, DESI- und LSST-Projekte
Geisterenergie	Negatives Energiefeld	\(w < -1\)	Würde zum Big Rip-Szenario führen
K-Essenz	Skalarfeld mit nicht standardmäßiger Kinetik	Variabel, abhängig von der Dynamik	Vorhersage für Euklid und LSST
Modifizierte Schwerkraft (f(R), DGP…)	Modifikation der Allgemeinen Relativitätstheorie im großen Maßstab	Kein \(w\) definiert (geometrischer Effekt)	Tests zum Training großer Strukturen
Kosmologisches Feedback	Emergenter Effekt von Gravitationsinhomogenitäten	Keine Flüssigkeit, aber durchschnittliche Geometrie	Sehr schwierig zu modellieren, ohne Konsens
Auftauchende dunkle Energie (entropische Schwerkraft)	Schwerkraft und Beschleunigung als thermodynamische Phänomene	Kein klassisches \(w\)	Spekulative Theorie ohne genaue Vorhersagen
Holographische Modelle (HDE)	Dunkle Energie entsteht aus einem holographischen Prinzip der Informationsdichte	\( w \ approx -1 \), hängt vom kosmologischen Radius ab	Tests zu CMB, Training von Strukturen, LSST folgen
Dunkle Vektorfelder	Dynamische Vektoren, die für die Beschleunigung der Expansion verantwortlich sind	\( w(t) \) variabel je nach Feld	Modelle, die anhand diffuser Hintergrundanisotropien getestet werden können
Theorie der verzögerten Interaktion	Die Wirkung von Materie auf die Raum-Zeit-Geometrie erfolgt nicht augenblicklich	Keine Flüssigkeit, kein Gedächtnis oder keine verzögerte Wirkung gewöhnlicher Materie	Spekulative Hypothese, experimentell schwer zu überprüfen

Quellen:Copeland et al. (2006) (neues Fenster), ESA Euklid (neues Fenster), Verlinde (2011) – Schwerkraft als aufkommendes Phänomen (neues Fenster).