Neue Simulationen zeigen, dass Dunkle Materie, das unsichtbare Material, das den größten Teil der Masse des Universums ausmacht, sich zu Atomen zusammenfügen kann. Diese „dunklen Atome“ können die Entwicklung von Galaxien und die Entstehung von Sternen radikal verändern und bieten Astronomen eine neue Möglichkeit, diese mysteriöse Substanz zu verstehen.
Dunkle Materie macht mehr als 80 % der Masse aller Galaxien und Galaxienhaufen im Universum aus. Alle unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass dunkle Materie eine neue Art von Teilchen ist, die weder mit gewöhnlicher Materie noch mit Licht wechselwirkt. Wir können dunkle Materie nur durch ihre gravitative Wechselwirkung mit allem anderen identifizieren. Was auch immer dunkle Materie ist, sie liegt außerhalb unseres modernen Verständnisses der Physik. Aber es hat immer noch Masse und damit Schwerkraft.
Wir wissen noch nicht, ob dunkle Materie einfach oder komplex ist. Es kann nur aus einer Teilchenart bestehen, die das Universum dominiert und selbst mit sich selbst kaum interagiert. Oder es kann aus mehreren Arten von Teilchen bestehen, mit der gleichen Vielfalt, die wir in gewöhnlicher Materie sehen. Darüber hinaus kennen wir nur vier Grundkräfte der Natur: Schwerkraft, Elektromagnetismus, die starke Kernwechselwirkung und die schwache Kernwechselwirkung. Aber möglicherweise gibt es zusätzliche Kräfte, die nur zwischen Teilchen der Dunklen Materie wirken und die normale Materie überhaupt nicht beeinflussen.
Das Konzept zusätzlicher Dunkler-Materie-Teilchen und Dunkler Kräfte ist nicht so weit hergeholt, wie es scheinen mag. Unser Verständnis der Physik basiert auf Symmetrien, bei denen es sich um tiefe mathematische Beziehungen zwischen Teilchen handelt. Es ist möglich, dass es in den Naturgesetzen zusätzliche Symmetrien gibt, die dunkle Materie zu einem Gegenstück zur normalen Materie machen, und dass es für jede Art von Wechselwirkung, an der normale Materie teilnehmen kann, ein Gegenstück im dunklen Sektor gibt.
Beispielsweise können wir aus gewöhnlicher Materie einfache Atome bauen: ein Proton und ein Elektron, miteinander verbunden, mit einem Photon, dem Träger der elektromagnetischen Kraft, das die Wechselwirkung vermittelt. Wir können auch eine Version derselben Struktur der Dunklen Materie haben, bei der ein dunkles Proton durch dunkle Photonen an dunkle Elektronen gebunden ist: dunkle Atome.
Atomare Dunkle Materie würde sich ganz anders verhalten als Dunkle Materie, die nur aus einem Teilchen besteht. Am wichtigsten ist, dass es für einfache Dunkle Materie sehr schwierig wäre, sich zu verklumpen, und dass dies langsam und über Hunderte von Millionen Jahren geschehen würde. Gewöhnliche Materie sammelt sich in diesen glatten Klumpen dunkler Materie und bildet Galaxien, ansonsten führen sie jedoch getrennte Leben. Atomare Dunkle Materie kann jedoch ihre eigenen Schattengalaxien bilden – scheibenartige Strukturen, die die Größe und Lage sichtbarer Galaxien nachahmen.
Ein Team von Astrophysikern nutzte diese faszinierende Möglichkeit, um die Entwicklung von Galaxien zu modellieren und zu sehen, welche beobachteten Unterschiede auftreten könnten. Sie ließen atomare Dunkle Materie entsprechend ihren eigenen Kräften entstehen und untersuchten dann, wie sich diese neuen Strukturen durch die neue Organisation der Schwerkraft auf sichtbare Galaxien auswirken würden. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im April in einer Online-Preprint-Datenbank arXiv.
Die Forscher fanden heraus, dass bereits eine kleine Menge atomarer Dunkler Materie – nur 6 % der gesamten Dunklen Materie im Universum, den Rest nicht eingerechnet – ausreicht, um die Entwicklung von Galaxien radikal zu verändern. Da atomare dunkle Materie zur Wechselwirkung fähig ist, kann sie leicht kondensieren und durch die Emission irgendeiner Form dunkler Strahlung Energie verlieren. Simulationen zeigten, dass in jeder Galaxie schnell eine „dunkle Scheibe“ entsteht, deren Spin eng mit dem Spin der sichtbaren, normalen Komponenten übereinstimmt.
Von dort aus kondensierte die atomare dunkle Materie weiter, so wie normales Gas zu Wolken und schließlich zu Sternen kondensiert. In der Simulation bildete atomare Dunkle Materie ihre eigenen dunklen Sterne und könnte sogar zur Entstehung eigener Schwarzer Löcher führen. Diese Klumpen sanken dann in den galaktischen Kern, wo die Dichte zunahm.
Aufgrund dieser zusätzlichen Schwerkraft wird die Sternentstehung in den Kernen von Galaxien beschleunigt, wodurch Sterne viel schneller entstehen als in Galaxien mit einfacher dunkler Materie. Diese Simulationen schlossen tatsächlich einige Modelle der atomaren Dunklen Materie aus, weil diese Modelle dazu führten, dass ihren Galaxien zu schnell neues Sternentstehungsmaterial ausging.
Einige Modelle haben jedoch die aktuellen Beobachtungsgrenzen überlebt, was die Möglichkeit der Existenz atomarer Dunkler Materie zulässt. Die Forscher hoffen, dass weitere theoretische und experimentelle Studien Aufschluss über die Plausibilität dieser faszinierenden Form exotischer Materie geben werden. Da beispielsweise atomare dunkle Materie so effizient kondensiert, können wir möglicherweise in zukünftigen Gravitations-Mikrolinsenstudien mit dem Nancy Grace-Weltraumteleskop der NASA in Rom dichte sternähnliche Klumpen entdecken.
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