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Näher dran, um Dunkle Materie zu untersuchen

Näher dran, um Dunkle Materie zu untersuchen

Unser Universum besteht laut der Mehrheit der Wissenschaftler aus etwa einem Viertel der Dunklen Materie. Das ist natürlich eine Hypothese und nicht bewiesen.

Dunkle Materie kann nicht gesehen werden, wir können nur ihre Interferenz mit sichtbarer Materie sehen, die die Dunkle Materie umgibt. Eine Definition der Dunklen Materie finden Sie hier.

Professor Samuel Ting und sein Forschungsteam haben die möglicherweise ersten Spuren von „Überresten“ der Dunklen Materie aufgegriffen. Dies gelang ihnen mit einem magnetischen Spektrometer (AMS), einem präzisen Instrument zum Nachweis von Partikeln. Das Spektrometer befindet sich derzeit auf der Internationalen Raumstation.

Weitere Forschungen sind erforderlich, um festzustellen, ob die Messungen tatsächlich mit Dunkler Materie oder anderen Arten elektromagnetischer Strahlung von Pulsaren oder Sternen zusammenhängen.

Hier können Sie mehr lesen.


    Kontroverse über die Verwendung römischer Barren zur Untersuchung von Dunkler Materie, Neutrinos

    Die Eigenschaften dieser aus alten Schiffswracks geborgenen Bleiziegel sind ideal für Experimente in der Teilchenphysik. Wissenschaftler des CDMS-Projekts zum Nachweis dunkler Materie in Minnesota (USA) und des Neutrino-Observatoriums CUORE am Gran Sasso Laboratory in Italien haben damit begonnen, sie zu verwenden, aber Archäologen haben alarmiert über die Zerstörung und den Handel des dahinter liegenden Kulturerbes.

    Vor zweitausend Jahren versank ein römisches Schiff mit Bleibarren aus der Sierra von Cartagena vor der Küste Sardiniens. Seit 2011 wurden mehr als hundert dieser Barren verwendet, um das „Cryogenic Underground Observatory for Rare Events“ (CUORE) zu bauen, einen fortschrittlichen Detektor für Neutrinos – fast schwerelose subatomare Teilchen – am Gran Sasso National Laboratory in Italien.

    Im 18. Jahrhundert wurde ein weiteres mit Bleibarren beladenes Schiff an der französischen Küste zerstört. Ein Unternehmen von Schatzsuchern hat dieses Material gefunden und es trotz Problemen mit den französischen Behörden geschafft, es an das Cryogenic Dark Matter Search (CDMS)-Team zu verkaufen. Dieser Detektor in einer Mine in Minnesota (USA) sucht nach Spuren der rätselhaften Dunklen Materie, von der angenommen wird, dass sie ein Viertel des Universums ausmacht.

    Diese beiden Beispiele dienten als Referenz für die Diskussion, die zwei Forscher zwischen Archäologen, die über die Zerstörung des Unterwasser-Kulturerbes besorgt sind, und Teilchenphysikern eröffnet haben, die erfreut sind, ein einzigartiges Material für die Erforschung von Neutrinos und dunkler Materie gefunden zu haben.

    Elena Perez-Alvaro von der University of Birmingham erklärt: "Römisches Blei ist für die Durchführung dieser Experimente unerlässlich, weil es Reinheit und eine so geringe Radioaktivität bietet - umso mehr, je länger es unter Wasser verbracht hat - und die aktuellen Methoden zur Herstellung" dieses Metall kann es nicht erreichen."

    „Heute gewonnenes Blei ist auf natürliche Weise mit dem Isotop Pb-210 verunreinigt, was eine Verwendung als Abschirmung für Teilchendetektoren verhindert“, ergänzt der Physiker Fernando González Zalba von der University of Cambridge.

    Die beiden Forscher haben in der Zeitschrift 'Rosetta' eine Studie veröffentlicht, die diesen Monat auch in 'Science' kommentiert wurde und die ein Dilemma aufwirft: Sollten wir einen Teil unseres kulturellen Erbes opfern, um mehr Wissen über das Universum und die Entstehung von Menschheit? Sollten wir einen Teil unserer Vergangenheit preisgeben, um mehr über unsere Zukunft zu erfahren?

    „Unterwasserarchäologen sehen die Zerstörung von Kulturerbe als Verlust unserer Vergangenheit, unserer Geschichte, während Physiker die Grundlagenforschung unterstützen, um nach Antworten zu suchen, die wir noch nicht haben“, bemerkt Perez-Alvaro, „obwohl dies zu Situationen geführt hat, in denen zum Beispiel , private Unternehmen wie Odyssey handeln mit Blei aus versunkenen Schiffen." Diese Firma musste den Schatz der Fregatte Nuestra Señora de las Mercedes nach Spanien zurückbringen.

    Dialog zwischen Unterwasserarchäologen und Teilchenphysikern

    Der Unterwasserarchäologe und der Physiker fördern den Dialog zwischen beiden Kollektiven und entwickeln Gesetze, die diese Art von Aktivitäten regeln, ohne sie ausschließlich auf Archäologen und Wissenschaftler zu beschränken. „Rückgewinnung für Wissen in beiden Bereichen und nicht nur aus kommerziellen Gründen“, betonen die Wissenschaftler.

    Die Jury steht noch aus. Im Fall des CUORE-Detektors beispielsweise wird im Prinzip das Blei der am wenigsten gut erhaltenen römischen Barren verwendet, obwohl deren Inschriften geschnitten und konserviert sind. Einige Archäologen schlagen auch vor, dass es andere wertvolle Metallstücke gibt, wie Ankerstöcke, Ringe oder Angelgeräte, die wir beurteilen sollten, ob wir „für die Wissenschaft opfern“ oder nicht. Das Problem ist, dass sie durch das UNESCO-Übereinkommen zum Schutz des Unterwasser-Kulturerbes von 2001 geschützt sind, wenn sie mehr als 10 Jahre unter Wasser waren, und das 2003-Übereinkommen zum Schutz des immateriellen Kulturerbes.

    In Bezug auf die gewohnheitsmäßige Verwendung dieser Barren durch die Römer weisen Péacuterez & Aacutelvaro darauf hin, dass es viele Theorien gibt, „aber sie wurden im Allgemeinen als wasserfestes Material für Rohre, Wassertanks oder Dächer verwendet, aber auch bei der Herstellung von Waffen und Munition. "

    Ein Sonderfall sind die großen Bleiziegel, die aus dem größten römischen Schiff der Ausgrabung des Mittelmeers, dem Wrack der Bou Ferrer, geborgen wurden, das ganz in der Nähe des Hafens von La Vila Joiosa (Alicante) versenkt wurde. Anhand einer Reihe von Stichen können Fachleute feststellen, dass ihr Besitzer der Kaiser von Rom selbst war, wahrscheinlich Caligula, Claudius oder Nero.


    Der Erforschung der Dunklen Materie näher kommen - Geschichte

    Als Teilchenphysiker untersuche ich die Elementarteilchen und wie sie auf der grundlegendsten Ebene interagieren. Die meiste Zeit meiner Forschungskarriere habe ich Beschleuniger wie den Elektronenbeschleuniger an der Stanford University verwendet, um Dinge im kleinsten Maßstab zu untersuchen. Aber in letzter Zeit habe ich meine Aufmerksamkeit auf das Universum im größten Maßstab gerichtet. Denn, wie ich Ihnen erklären werde, hängen die Fragen auf der kleinsten und der größten Skala tatsächlich sehr eng zusammen. Ich erzähle Ihnen also von unserer Sicht des Universums im 21.

    Vor kurzem haben wir also erkannt, dass die gewöhnliche Materie im Universum – und mit gewöhnlicher Materie meine ich Sie, mich, die Planeten, die Sterne, die Galaxien – die gewöhnliche Materie nur wenige Prozent des Inhalts des Universums ausmacht . Fast ein Viertel oder ungefähr ein Viertel der Materie im Universum ist unsichtbar. Mit unsichtbar meine ich, dass es im elektromagnetischen Spektrum nicht absorbiert. Es emittiert nicht im elektromagnetischen Spektrum. Es spiegelt nicht wider. Es interagiert nicht mit dem elektromagnetischen Spektrum, das wir verwenden, um Dinge zu erkennen. Es interagiert überhaupt nicht. Woher wissen wir also, dass es dort ist? Wir wissen, dass es dort durch seine Gravitationseffekte ist. Tatsächlich dominiert diese Dunkle Materie die Gravitationseffekte im Universum im großen Maßstab, und ich werde Ihnen die Beweise dafür erzählen.

    Was ist mit dem Rest des Kuchens? Der Rest des Kuchens ist eine sehr mysteriöse Substanz namens dunkle Energie. Dazu später mehr, OK. Wenden wir uns zunächst den Beweisen für dunkle Materie zu. In diesen Galaxien, insbesondere in einer Spiralgalaxie wie dieser, konzentriert sich die meiste Masse der Sterne in der Mitte der Galaxie. Diese riesige Masse all dieser Sterne hält Sterne in kreisförmigen Bahnen in der Galaxie. Wir haben also diese Sterne, die sich in solchen Kreisen drehen. Wie Sie sich vorstellen können, sollte dies, selbst wenn Sie Physik kennen, intuitiv sein, OK – dass Sterne, die näher an der Masse in der Mitte liegen, sich mit einer höheren Geschwindigkeit drehen als diejenigen, die weiter draußen sind, OK.

    Wenn Sie also die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne messen, würden Sie erwarten, dass sie an den Rändern langsamer sind als im Inneren. Mit anderen Worten, wenn wir die Geschwindigkeit als Funktion der Entfernung gemessen haben – dies ist das einzige Mal, dass ich eine Grafik zeige, OK – würden wir erwarten, dass sie mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der Galaxie abnimmt. Wenn diese Messungen durchgeführt werden, stellen wir stattdessen fest, dass die Geschwindigkeit als Funktion der Entfernung im Wesentlichen konstant ist. Wenn sie konstant ist, bedeutet dies, dass die Sterne hier draußen die Gravitationseffekte von Materie spüren, die wir nicht sehen. Tatsächlich scheint diese Galaxie und jede andere Galaxie in eine Wolke dieser unsichtbaren dunklen Materie eingebettet zu sein. Und diese Materiewolke ist viel kugelförmiger als die Galaxie selbst und erstreckt sich über einen viel größeren Bereich als die Galaxie. Wir sehen also die Galaxie und fixieren uns darauf, aber es ist tatsächlich eine Wolke aus dunkler Materie, die die Struktur und Dynamik dieser Galaxie dominiert.

    Galaxien selbst sind nicht zufällig im Raum verstreut, sie neigen dazu, sich zu sammeln. Und dies ist ein Beispiel für einen sehr, eigentlich, berühmten Cluster, den Coma-Cluster. Und es gibt Tausende von Galaxien in diesem Haufen. Sie sind die weißen, verschwommenen, elliptischen Dinger hier. Also diese Galaxienhaufen – wir machen jetzt einen Schnappschuss, wir machen einen Schnappschuss in einem Jahrzehnt, er wird identisch aussehen. Aber diese Galaxien bewegen sich tatsächlich mit extrem hohen Geschwindigkeiten. Sie bewegen sich in dieser Gravitationspotentialquelle dieses Clusters, OK. Alle diese Galaxien bewegen sich also. Wir können die Geschwindigkeiten dieser Galaxien, ihre Umlaufgeschwindigkeiten messen und herausfinden, wie viel Masse in diesem Haufen steckt.

    Und wieder stellen wir fest, dass es dort viel mehr Masse gibt, als die Galaxien, die wir sehen, erklären können. Oder wenn wir in andere Teile des elektromagnetischen Spektrums schauen, sehen wir, dass auch in diesem Cluster viel Gas vorhanden ist. Aber auch das kann die Masse nicht erklären. Tatsächlich scheint es hier etwa zehnmal so viel Masse in Form dieser unsichtbaren oder dunklen Materie zu geben wie in der gewöhnlichen Materie, OK. Es wäre schön, wenn wir diese dunkle Materie etwas direkter sehen könnten. Ich trage nur diesen großen blauen Klecks dort auf, OK, um Sie daran zu erinnern, dass er da ist. Können wir es visueller sehen? Ja wir können.

    Lassen Sie mich Sie durch die Vorgehensweise führen. Hier also ein Beobachter: Es könnte ein Auge sein, es könnte ein Teleskop sein. Und angenommen, es gibt hier draußen im Universum eine Galaxie. Wie sehen wir diese Galaxie? Ein Lichtstrahl verlässt die Galaxie und reist möglicherweise Milliarden von Jahren durch das Universum, bevor er in das Teleskop oder in Ihr Auge eintritt. Wie können wir nun ableiten, wo sich die Galaxie befindet? Nun, wir leiten es aus der Richtung ab, in die sich der Strahl bewegt, wenn er in unser Auge eintritt, oder? Wir sagen, der Lichtstrahl kam hierher, die Galaxie muss da sein, OK. Angenommen, ich stelle einen Galaxienhaufen in die Mitte – und vergiss die dunkle Materie nicht, OK. Wenn wir nun einen anderen Lichtstrahl betrachten, der so ausgeht, müssen wir jetzt berücksichtigen, was Einstein vorhergesagt hat, als er die Allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hat. Und das war, dass das Gravitationsfeld aufgrund der Masse nicht nur die Flugbahn der Teilchen, sondern auch das Licht selbst ablenkt.

    Dieser Lichtstrahl wird sich also nicht geradlinig fortsetzen, sondern würde sich eher biegen und könnte am Ende in unser Auge gelangen. Wo wird dieser Beobachter die Galaxie sehen? Sie können antworten. Aufrecht? Wir extrapolieren rückwärts und sagen, die Galaxie ist hier oben. Gibt es einen anderen Lichtstrahl, der von dieser Galaxie in das Auge des Beobachters gelangen könnte? Ja, großartig. Ich sehe Leute, die so untergehen. So könnte ein Lichtstrahl nach unten gehen, in das Auge des Betrachters gebogen werden, und der Betrachter sieht hier einen Lichtstrahl.

    Berücksichtigen Sie nun die Tatsache, dass wir in einem dreidimensionalen Universum leben, OK, einem dreidimensionalen Raum. Gibt es noch andere Lichtstrahlen, die ins Auge gelangen könnten? Jawohl! Die Strahlen würden auf einem – das würde ich gerne sehen – ja, auf einem Kegel liegen. Es gibt also einen ganzen Lichtstrahl – Lichtstrahlen auf einem Kegel – die alle von diesem Cluster gebogen werden und in das Auge des Beobachters gelangen. Wenn ein Lichtkegel in mein Auge fällt, was sehe ich dann? Ein Kreis, ein Ring. Es heißt Einstein-Ring. Einstein hat das vorhergesagt, OK. Jetzt wird es nur dann ein perfekter Ring sein, wenn die Quelle, der Deflektor und der Augapfel in diesem Fall alle in einer perfekt geraden Linie liegen. Wenn sie leicht schief sind, sehen wir ein anderes Bild.

    Jetzt können Sie heute Abend ein Experiment über den Empfang machen, OK, um herauszufinden, wie dieses Bild aussehen wird. Denn es stellt sich heraus, dass wir eine Art Linse entwickeln können, die die richtige Form hat, um diese Art von Effekt zu erzeugen. Wir nennen dies Gravitationslinseneffekt. Das ist also Ihr Instrument, OK. (Lachen). Aber ignoriere den oberen Teil. Es ist die Basis, auf die du dich konzentrieren sollst, OK. Also, wenn wir zu Hause ein Weinglas zerbrechen, rette ich den Boden und bringe ihn in die Maschinenwerkstatt. Wir rasieren es ab und ich habe eine kleine Gravitationslinse, OK. Es hat also die richtige Form, um die Linsen zu produzieren. Das nächste, was Sie in Ihrem Experiment tun müssen, ist, sich eine Serviette zu schnappen. Ich schnappte mir ein Stück Millimeterpapier – ich bin Physiker. (Gelächter) Also, eine Serviette. Zeichnen Sie in der Mitte eine kleine Modellgalaxie. Und jetzt legen Sie die Linse über die Galaxie, und Sie werden feststellen, dass Sie einen Ring sehen, einen Einstein-Ring. Bewegen Sie nun die Basis zur Seite, und der Ring teilt sich in Bögen auf, OK. Und Sie können es über jedes Bild legen. Auf dem Millimeterpapier können Sie sehen, wie alle Linien auf dem Millimeterpapier verzerrt wurden. Und wieder ist dies eine Art genaues Modell dessen, was mit der Gravitationslinse passiert.

    Okay, die Frage ist also: Sehen wir das am Himmel? Sehen wir Bögen am Himmel, wenn wir beispielsweise einen Galaxienhaufen betrachten? Und die Antwort ist ja. Hier also ein Bild vom Hubble-Weltraumteleskop. Viele der Bilder, die Sie sehen, stammen früher vom Hubble-Weltraumteleskop. Nun, zunächst einmal für die goldenen Galaxien – das sind die Galaxien im Haufen. Sie sind diejenigen, die in dieses Meer aus dunkler Materie eingebettet sind, die die Krümmung des Lichts verursachen, um diese optischen Täuschungen oder praktisch Illusionen der Hintergrundgalaxien zu verursachen. Die Streifen, die Sie sehen, all diese Streifen, sind also tatsächlich verzerrte Bilder von Galaxien, die viel weiter entfernt sind.

    Was wir also tun können, basiert darauf, wie viel Verzerrung wir in diesen Bildern sehen, wir können berechnen, wie viel Masse in diesem Cluster vorhanden sein muss. Und es ist eine enorme Masse. Und Sie können auch mit dem Auge erkennen, dass diese Bögen nicht auf einzelne Galaxien zentriert sind. Sie sind auf eine weiter ausgebreitete Struktur zentriert, und das ist die dunkle Materie, in die der Haufen eingebettet ist, OK. Dies ist also das nächste, was Sie erreichen können, um zumindest die Auswirkungen der dunklen Materie mit bloßem Auge zu sehen.

    Okay, also eine kurze Überprüfung, um zu sehen, dass Sie folgen. Der Beweis dafür, dass ein Viertel des Universums aus dunkler Materie besteht – diesem gravitativ anziehenden Zeug – ist, dass Galaxien die Geschwindigkeit, mit der Sterne um Galaxien kreisen, viel zu groß ist, als dass sie in dunkle Materie eingebettet sein muss. Die Geschwindigkeit, mit der Galaxien innerhalb von Haufen kreisen, ist viel zu groß, als dass sie in dunkle Materie eingebettet sein müssten. Und wir sehen diese Gravitationslinseneffekte, diese Verzerrungen, die besagen, dass Cluster wiederum in dunkle Materie eingebettet sind.

    OK. Wenden wir uns nun der dunklen Energie zu. Um die Beweise für dunkle Energie zu verstehen, müssen wir also etwas besprechen, auf das Stephen Hawking in der vorherigen Sitzung Bezug genommen hat. Und das ist die Tatsache, dass sich der Raum selbst ausdehnt. Wenn wir uns also einen Ausschnitt unseres unendlichen Universums vorstellen – und so habe ich vier Spiralgalaxien abgesetzt, OK – und stellen Sie sich vor, Sie legen eine Reihe von Maßbändern auf, also entspricht jede Linie hier einem Maßband, horizontal oder vertikal , um zu messen, wo die Dinge sind. Wenn Sie dies tun könnten, würden Sie feststellen, dass mit jedem verstreichenden Tag, jedem verstreichenden Jahr, jedem verstreichenden Jahrmilliarden, OK, die Entfernung zwischen den Galaxien größer wird. Und es liegt nicht daran, dass sich Galaxien durch den Weltraum voneinander entfernen. Sie bewegen sich nicht unbedingt durch den Weltraum. Sie entfernen sich voneinander, weil der Raum selbst größer wird, OK. Das ist es, was die Expansion des Universums oder des Weltraums bedeutet. Sie bewegen sich also weiter auseinander.

    Nun, was Stephen Hawking ebenfalls erwähnte, ist, dass sich der Weltraum nach dem Urknall sehr schnell ausdehnte. Aber da gravitativ anziehende Materie in diesen Raum eingebettet ist, neigt sie dazu, die Ausdehnung des Raumes zu verlangsamen, OK. Die Expansion verlangsamt sich also mit der Zeit. Also, im letzten Jahrhundert, OK, diskutierten die Leute darüber, ob diese Expansion des Weltraums für immer weitergehen würde, ob sie sich verlangsamen würde, wissen Sie, wird sich verlangsamen, aber für immer weiter verlangsamen und aufhören, asymptotisch aufhören oder verlangsamen, aufhören, und dann umkehren, so dass es sich wieder zusammenzieht. Vor etwas mehr als einem Jahrzehnt machten sich also zwei Gruppen von Physikern und Astronomen daran, die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich die Expansion des Weltraums verlangsamt, OK. Um wie viel weniger dehnt es sich heute aus, verglichen mit beispielsweise vor ein paar Milliarden Jahren?

    Die verblüffende Antwort auf diese Frage, OK, aus diesen Experimenten war, dass sich der Weltraum heute schneller ausdehnt als noch vor einigen Milliarden Jahren, OK. Die Expansion des Weltraums beschleunigt sich also tatsächlich. Dies war ein völlig überraschendes Ergebnis. Es gibt kein überzeugendes theoretisches Argument dafür, warum dies geschehen sollte, OK. Niemand hat im Voraus vorausgesagt, dass dies gefunden wird. Es war das Gegenteil von dem, was erwartet wurde. Wir brauchen also etwas, um das erklären zu können. Jetzt stellt sich heraus, dass man es in der Mathematik als einen Begriff verwenden kann, der eine Energie ist, aber es ist eine völlig andere Art von Energie als alles, was wir je zuvor gesehen haben. Wir nennen es dunkle Energie, und es hat den Effekt, dass sich der Raum ausdehnt. Aber wir haben keine gute Motivation, es an dieser Stelle einzufügen, OK. Es ist also wirklich unerklärlich, warum wir es einbauen müssen.

    Nun, also an dieser Stelle möchte ich euch wirklich betonen, dass dunkle Materie und dunkle Energie zuallererst völlig unterschiedliche Dinge sind, OK. Es gibt wirklich zwei Geheimnisse darüber, was den größten Teil des Universums ausmacht, und sie haben sehr unterschiedliche Auswirkungen. Dunkle Materie, da sie gravitativ anzieht, neigt dazu, das Strukturwachstum zu fördern, OK. Aufgrund dieser ganzen Anziehungskraft werden sich daher Galaxienhaufen bilden. Dunkle Energie hingegen schiebt immer mehr Raum zwischen die Galaxien, lässt die Anziehungskraft zwischen ihnen abnehmen und behindert so das Strukturwachstum. Indem wir uns Dinge wie Galaxienhaufen ansehen und wie sie – ihre Anzahldichte, wie viele es als Funktion der Zeit gibt – können wir lernen, wie dunkle Materie und dunkle Energie bei der Strukturbildung gegeneinander konkurrieren.

    In Bezug auf Dunkle Materie sagte ich, dass wir kein wirklich überzeugendes Argument für die Dunkle Energie haben. Haben wir etwas für dunkle Materie? Und die Antwort ist ja. Wir haben motivierte Kandidaten für die Dunkle Materie. Was meine ich jetzt mit gut motiviert? Ich meine, wir haben mathematisch konsistente Theorien, die tatsächlich eingeführt wurden, um ein völlig anderes Phänomen zu erklären, OK, Dinge, über die ich noch nicht einmal gesprochen habe, die jeweils die Existenz eines sehr schwach wechselwirkenden neuen Teilchens vorhersagen.

    Genau das will man also in der Physik: Eine Vorhersage kommt aus einer mathematisch konsistenten Theorie, die eigentlich für etwas anderes entwickelt wurde. Aber wir wissen nicht, ob einer von denen tatsächlich der Kandidat für die Dunkle Materie ist, OK. Einer oder beide, wer weiß? Oder es kann etwas ganz anderes sein. Jetzt suchen wir nach diesen Teilchen der Dunklen Materie, denn schließlich sind sie hier im Raum, OK, und sie sind nicht durch die Tür gekommen. Sie passieren einfach alles. Sie können durch das Gebäude kommen, durch die Erde – sie interagieren so nicht.

    Eine Möglichkeit, nach ihnen zu suchen, besteht darin, Detektoren zu bauen, die extrem empfindlich auf ein durchdringendes und anstoßendes Teilchen der Dunklen Materie reagieren. Also ein Kristall, der klingelt, wenn das passiert. Also haben einer meiner Kollegen und seine Mitarbeiter einen solchen Detektor gebaut. Und sie haben es tief in eine Eisenmine in Minnesota, OK, tief unter die Erde gelegt und in den letzten Tagen die bisher sensibelsten Ergebnisse bekannt gegeben. Sie haben nichts gesehen, OK, aber es setzt der Masse und der Wechselwirkungsstärke dieser Teilchen der Dunklen Materie Grenzen. Später in diesem Jahr wird ein Satellitenteleskop gestartet und es wird in die Mitte der Galaxie blicken, um zu sehen, ob wir Teilchen der Dunklen Materie vernichten und Gammastrahlen produzieren, die damit nachgewiesen werden könnten. Der Large Hadron Collider, ein Teilchenphysik-Beschleuniger, den wir später in diesem Jahr einschalten werden. Es ist möglich, dass am Large Hadron Collider Teilchen der Dunklen Materie produziert werden.

    Da sie nun so nicht interaktiv sind, entkommen sie tatsächlich dem Detektor, sodass ihrer Signatur Energie fehlt, OK. Leider gibt es eine Menge neuer Physik, deren Signatur fehlende Energie sein könnte, daher wird es schwer sein, den Unterschied zu erkennen. Und schließlich gibt es für zukünftige Bestrebungen Teleskope, die speziell entwickelt wurden, um die Fragen der Dunklen Materie und der Dunklen Energie zu beantworten – bodengestützte Teleskope, und es gibt drei weltraumgestützte Teleskope, die derzeit im Wettbewerb stehen, um die Dunkle Materie zu untersuchen und dunkle Energie. Also zu den großen Fragen: Was ist Dunkle Materie? Was ist dunkle Energie? Die großen Fragen der Physik. Und ich bin sicher, Sie haben viele Fragen, auf die ich mich sehr freue, Sie in den nächsten 72 Stunden zu beantworten, während ich hier bin. Dankeschön. (Beifall)


    Hauptakteur

    Britische Wissenschaftler und Ingenieure werden bei Euclid eine Schlüsselrolle spielen.

    Großbritannien wird die Produktion der optischen Digitalkamera des Teleskops führen - einer der größten Kameras, die jemals in den Weltraum gebracht wurden.

    Das Instrument wird Bilder des Himmels erzeugen, die mehr als 100-mal größer sind als Hubble es kann. Dadurch wird die Menge des "Stitching" von Bildern minimiert, die erforderlich ist, um Euklids Karten zu erstellen, und es wird einfacher, einige der subtilen Effekte zu verfolgen, die Astronomen zu erkennen versuchen.

    Wenn die Investitionen in den Esa-Teil des Haushalts und das sichtbare Instrument kombiniert werden, beläuft sich der Gesamtbeitrag des Vereinigten Königreichs für Euclid auf über 100 Millionen Euro (80 Millionen Pfund).


    Träume von dunkler Materie

    Links: Die kosmische Nachbarschaft von Segue 1 von Sloan Digital Sky Survey. Rechts: Segue 1, mit seinen 24 bekannten Sternen, von Maria Geha.

    Die Sterne haben uns schon immer mit ihrer Schönheit fasziniert. Doch eine kleine Gruppe von Himmelsobjekten hat in letzter Zeit aus einem besonderen Grund die Fantasie von Astronomen und Physikern beflügelt. Durch den Einsatz fortschrittlicher Beobachtungsmethoden in den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler Hunderte von Galaxien gefunden, die sich für ihr Gravitationsfeld zu schnell zu drehen scheinen. Die Sterne in ihnen bewegen sich viel schneller als die aus ihrer leuchtenden Materie berechnete Fluchtgeschwindigkeit. Die Galaxien sollten buchstäblich auseinander fliegen.

    Diese Erkenntnis hat die meisten Physiker dazu veranlasst, das Konzept der „dunklen Materie“ in ihre Theorien des Universums aufzunehmen. Basierend auf astronomischen Beweisen würde dunkle Materie die normale Materie im Universum um einen Faktor von etwa 4,5 zu 1 überwiegen. Die oben genannten Galaxien enthalten theoretisch genug dunkle Materie, um sich so schnell zu drehen, wie sie es tun. Man nimmt an, dass dunkle Materieteilchen massive, ungeladene Teilchen sind, die außer über die Schwerkraft kaum mit normaler Materie interagieren. Aus diesem Grund können wir dunkle Materie nicht sehen und nie direkt nachgewiesen haben.

    Neben der Bestätigung der Existenz des Higg-Bosons, des Teilchens, von dem angenommen wird, dass es Masse verleiht, ist die Frage, ob dunkle Materie tatsächlich existiert, eine der dringendsten Fragen auf diesem Gebiet. Weltweit wollen zahlreiche Experimente Licht in diese (dunkle) Materie bringen. An vier dieser Kooperationen sind Professoren der Physik- und Astronomieabteilungen von Yale beteiligt.

    Abschnitt 1 und die sieben Zwerge

    Während der Zeit der schnellen Expansion nach dem Urknall blähten sich Wellen von Quantenfluktuationen in der superdichten Materie des Universums auf und bildeten die Galaxien, die wir heute sehen. Dieses Modell der Entstehung des Universums ist als Cold Dark Matter (CDM)-Modell bekannt.

    Nach diesem Modell wird angenommen, dass die meisten sichtbaren Galaxien am Himmel, einschließlich unserer eigenen, Ansammlungen von dunkler Materie sind, die Ansammlungen von leuchtender Materie anziehen. Darüber hinaus sollte es Hunderte von übrig gebliebenen, von dunkler Materie dominierten „Zwerggalaxien“ geben, die die Milchstraße umgeben. Bis 2005 wurden jedoch nur 11 Zwerggalaxien entdeckt, die unsere Galaxie umkreisen. Dies waren harte astronomische Beweise, die die Gültigkeit des CDM-Modells in Frage stellten.

    Astronomen haben jedoch erkannt, dass sie vielleicht einfach nicht genau genug gesucht haben. Marla Geha, Assistenzprofessorin für Astronomie in Yale und Mitglied des National Research Council of Canada, zusammen mit Joshua Simon, Robert A. Millikan Postdoctoral Scholar am Caltech, enthüllte kürzlich die Entdeckung von 8 weiteren Zwerggalaxien in unserer Nähe – was die aktuelle zähle bis 24.

    Mit Daten des Sloan Digital Sky Survey und des 10-Meter-Keck-II-Teleskops auf Hawaii konzentrierten sich Geha und Simon auf lokale Zwerggalaxienkandidaten. Auf den ersten Blick scheinen viele von ihnen kaum mehr als winzige Sternhaufen zu sein. Durch die Analyse der Rotverschiebungsdaten einzelner Sterne innerhalb jedes Haufens stellte Geha jedoch fest, dass sich viele der Sterne fast zehnmal schneller bewegten, als sie hätten sein sollen. Bei solchen Geschwindigkeiten hätten die Sterne genug kinetische Energie gehabt, um der Anziehungskraft der sie umgebenden leuchtenden Materie vollständig zu entkommen.

    Die einzige vernünftige Schlussfolgerung, so die Theorie der Forscher, war, dass diese Galaxien von dunkler Materie dominiert werden. Insbesondere eine Galaxie, Segue 1, scheint die lichtschwächste und daher die am stärksten von dunkler Materie dominierte Galaxie zu sein, die jemals entdeckt wurde. Obwohl die Galaxie nur 300-mal so hell wie unsere Sonne ist, ist sie tausendmal so massereich, wie sie erscheint, was darauf hindeutet, dass sie fast ausschließlich aus dunkler Materie bestehen muss.

    Obwohl erst 24 Zwerggalaxien entdeckt wurden, glaubt Geha, dass es noch viel mehr gibt. Der Sloan Digital Sky Survey deckt nur etwa ein Fünftel des Himmels ab. Wenn die anderen vier Fünftel jeweils eine ähnliche Zahl enthalten, könnte die endgültige Zahl vier bis fünfhundert betragen, fast genau die Zahl, die vom CDM-Modell vorhergesagt wird. Wenn dies der Fall ist, sind wir einen Schritt weiter gegangen, um die Existenz von Dunkler Materie zu verifizieren.

    Ein Licht durch eine Wand scheinen lassen

    Nichts würde die Existenz von Dunkler Materie konkreter beweisen als die Entstehung eines Dunkle-Materie-Teilchens im Labor. Genau dies will der Yale-Physikprofessor Oliver Baker mit dem Freie-Elektronen-Laser (FEL) in den Jefferson Labs in Virginia erreichen.

    FEL in den Jefferson Laboratories.

    Der FEL ist der leistungsstärkste abstimmbare Laser der Welt und produziert mehr Photonen pro Sekunde als jeder andere verwendete Laser. Der Laser wurde so eingerichtet, dass er einen Photonenstrahl durch ein bestimmtes hochenergetisches Magnetfeld leitet. Theoretisch sollte dies dazu führen, dass einige der Photonen im Strahl in Kandidaten für dunkle Materie umgewandelt werden, die Axionen genannt werden. Der Strahl wird dann direkt auf einen mehrere Zoll dicken Aluminiumblock gerichtet. Da dunkle Materie minimal mit regulärer Materie interagiert, sollten die Axionen direkt durch die Metallplatte wandern.

    Das Problem besteht dann natürlich darin, die Axionen auf der anderen Seite zu detektieren: Da sie minimal interaktiv sind, gibt es derzeit keine Möglichkeit, sie direkt zu detektieren. Daher wird der Strahl dann durch ein anderes Magnetfeld geleitet, das alle Axionen wieder in nachweisbare Photonen umwandeln würde.

    Das Experiment soll auch auf den weniger bekannten, aber weiter verbreiteten Cousin der Dunklen Materie, die Dunkle Energie, testen. Ein als Quintessence Scalar Field Model bekanntes Physikmodell sagt eine Form dunkler Energie voraus, die sich in Form von „Chamäleon-Teilchen“ manifestiert. Diese Teilchen ändern ihre Eigenschaften entsprechend ihrer Umgebung und gewinnen an Masse, wenn sie sich um andere massive Objekte herum befinden. Das Experiment ist so aufgebaut, dass sich solche Partikel bilden können, sie dann aber in einer Vakuumröhre zwischen zwei Glasfenstern gefangen werden. Immer wenn sich das Teilchen dem Glas näherte, würde es zu viel Masse gewinnen, um durchzukommen. Durch das Aufprallen zwischen den beiden Fenstern würden die Partikel ein Nachleuchten erzeugen, das Minuten bis Stunden nach dem Ausschalten des Lasers vorhanden wäre.

    Solche Beobachtungen würden starke Beweise für die Existenz von Dunkler Materie und Energie liefern, und diese Experimente sind die ersten Beispiele für die Verwendung einer hochintensiven Lichtquelle in Experimenten der Teilchenphysik.

    Den Urknall bauen

    Nirgendwo sind die Hoffnungen größer als in Genf in der Schweiz, wo der Large Hadron Collider des CERN eingeschaltet wurde. Der LHC, wie er weltweit bekannt ist, ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger, der je gebaut wurde.

    Viele Physiker erhoffen sich, wenn der LHC zum ersten Mal mit voller Leistung betrieben wird, eröffnen die daraus resultierenden Kollisionen ganz neue Fenster in unerforschte Regionen der Teilchenphysik. Aktuelle Theorien zur Entstehung des Universums postulieren, dass das sich schnell ausdehnende Universum in den Momenten unmittelbar nach dem Urknall mit extrem massereichen Teilchen gefüllt war, die dann schnell in weniger massereiche, stabilere zerfielen. Während ein erheblicher Teil in leuchtende Materie zerfiel, zerfiel der Großteil in dunkle Materie. Um Dunkle Materie zu erzeugen, müsste man also Bedingungen schaffen, die denen unmittelbar nach dem Urknall ähneln.

    Der LHC ist darauf ausgelegt, dies zu erreichen. Durch das Zusammenschlagen von Milliarden von Protonen mit einer Energie von 14 Billionen Elektronenvolt wird der LHC eine astronomisch große Anordnung verschiedener Teilchen erzeugen, deren charakteristische Bahnen von Detektoren verfolgt werden, die 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde aufzeichnen können.

    Die Daten des LHC können nicht nur völlig neue Teilchenfamilien aufdecken, sondern auch grundlegende Eigenschaften unseres Universums erklären, einschließlich der Frage, warum Objekte eine Masse haben und ob dunkle Materie existiert oder nicht. Sowohl Professor Baker als auch Professor Paul Tipton vom Yale Department of Physics leiten derzeit Projekte im Rahmen des ATLAS-Experiments am LHC, die dunkle Materie untersuchen sollen.

    Die ATLAS-Experiment-Detektoren. Bilder mit freundlicher Genehmigung der ATLAS-Bilddatenbank: https://cdsweb.cern.ch/collection/ATLAS. Die vielen Detektorschichten bei ATLAS.

    Das Problem ist, dass ein Teilchen der Dunklen Materie mit bekannten Mitteln nicht direkt nachgewiesen werden könnte. Daher sucht Tipton nach Anomalien in den Daten, die auf die Entstehung eines unsichtbaren Teilchens hinweisen. Although a dark matter particle is minimally interactive, it still obeys fundamental physical laws such as the conservation of momentum. Data indicating that energy and momentum have not been conserved would suggest that unde­tected particles have been created. If Tipton and his colleagues see this more frequently than expected, we would suddenly have strong evidence that dark matter exists.

    Nevertheless, “the full solution will have to come from a two-pronged approach,” explains Tipton. “If we see dark matter particles at the LHC, we’re then going to have to observe them directly in the lab to try to confirm their mass and their inter­action strength and measure their other properties.”

    The first event seen at ATLAS. It is a “splash event” – a first test. A three-dimensional rendering of the same “splash” event. A simulation of a collision at ATLAS producing supersymmetric particles. There is a clearly visible lack of energy conservation in the plane transverse to the beam – a clear indication that un-detected particles have been created.

    Panning for Particles

    Although one of the main goals of the LHC is to create dark matter particles, the detectors will not be able to prove that what they have recorded is actually dark matter. In order to truly confirm its existence, the particles must be observed in a lab under controlled conditions which allow their properties to be measured. Dan McKinsey, Yale Associate Professor of Physics, is doing just this.

    Since dark matter particles are so mini­mally interactive, collisions that involve them are extremely rare. Additionally, any detector searching for an interaction between a dark matter particle and an ordi­nary matter particle would be completely corrupted by the amount of background radiation present in the universe. Therefore, any experiment detecting dark matter must be highly sen­sitive, deep underground, and heavily shielded from radiation. Many of McK­insey’s investigations are modeled from experi­ments crafted in the 1950’s to verify the existence of neutrinos, another mini­mally-interactive particle.

    McKinsey’s primary research venture, entitled Project LUX, is a scaled up version of earlier neutrino detectors, located deep within the former Home­stake gold mine in South Dakota. LUX is essentially a closed tank of liquid xenon surrounded by light sensors. When a dark matter particle encounters the liquid xenon, the particle will hit a xenon molecule and will release energy that can then be recorded by the extremely sensitive detectors around the fluid.

    The large size of LUX will be integral to its success in addition to being beneath miles of solid rock, the outermost xenon will shield the innermost xenon from back­ground radiation. If a collision is seen deep within the detector, it is highly likely that it was caused by a dark matter particle. McK­insey is involved in a number of similar experiments in underground laboratories around the United States.

    “There are a lot of theories that we’re going to see dark matter particles in our detector,” said McKinsey in a recent inter­view. “The real challenge is making sure that the background radiation is low enough that we’re sensitive to these dark matter candidates. Since these particles are lower energy that neutrinos, our equipment has to be vastly more sensitive.”

    A schematic of Project LUX. A detail of the Project LUX detector.

    Finding the Hidden Valley

    Tipton, Baker, Geha and McKinsey are each using diverse techniques to study various aspects of dark matter from the perspective of different fields. Yet they have one thing in common: all four scientists are extremely optimistic that the existence of dark matter will soon be confirmed. “It’s like coming over a hill and looking over a valley we’ve never seen before,” said Tipton, speaking of the LHC. “The valley might be populated with what we’ve predicted or it might be filled with lots of various features we’ve never before encountered. But to not find anything would be very, very unlikely. I think there are many things which point to something here.”

    The impact of such a discovery cannot be underestimated. Both McKinsey and Baker went so far as to compare the dis­covery of dark matter to the Copernican Revolution. “All of the major scientific revolutions that have come about,” said Baker recently, “deal with maybe 5 percent of the universe. But the vast majority of the universe is made up of dark matter and dark energy – it would be naive to focus on only a small part. That’s what’s most exciting to me. If we could observe dark matter in a lab environment, if we could bring it down to our level, it would be a revolution in our understanding of the universe.”

    About the Author
    SAM BRICKMAN RAREDON is a junior in Timothy Dwight College. A Biomedical Engineering and History of Art double major, he is very interested in the intersections among the sciences.

    Acknowledgements
    The author would like to thank Professor Marla Geha, Professor Oliver Baker, Pro­fessor Daniel McKinsey, and Professor Paul Tipton for their time and patience in answering all of his questions. He wishes them great luck in their continued research.


    The universe bristles with structure on all scales. But really, it is all just punctuated nothingness. (Image courtesy of Cryhavoc) Lately, I’ve been thinking a lot about nothing. Not just because focusing on nothing is a helpful, meditative antidote to obsessing over the recent barrage of anxiety-inducing news, but also because nothing is the most common thing in nature. After all, the overwhelming majority of the universe is not stars and planets it is empty space. But empty space is not really truly completely empty. That’s what makes nothing interesting: Some places have a lot more of nothing than others, and even the emptiest places—the ones with the most nothing, you might say—still contain something. In fact, trying to figure out the nature of that something is one of the biggest unsolved issues in science. Es tut uns leid. It does all start to sound rather mad after a while. I'll back up and do some some explaining. What started me down this path was a question on the site Quora: “If I went up into space, opened a jar for a few seconds, put the lid on tightly, and then came back down to my kitchen, what would be in the jar?” It’s a great thought experiment. Take a jar-size sample of different parts of the universe. What would you find inside it? To simplify things, let’s make the "jar" a one-liter soda bottle. That’s a familiar standard size, and one that converts easily to other units. It’s 1,000 cubic centimeters, or 1/1,000 ^th of a cubic meter, or more Pepsi than anyone should drink in one day. Now let’s start to break down the question. What’s inside a one-liter volume of “empty” space? The answer varies enormously depending on where you are. Space around low-Earth orbit is a lot different than space in some random spot between the planets, which is a lot different than the space between galaxies. To come up with a truly universal answer, I'll do the only sensible thing and look at the universe as a whole—that is, the average density of everything we can see. If you average out the entire cosmos, there is a total mass density of 9.9 x 10 ^-30 grams per cubic centimeter, which is equivalent to 5.9 protons per cubic meter. Note that I was describing mass density, however, not particle density. According to the latest data from the Planck satellite, only 4.8 percent of that density consists of ordinary matter, mostly hydrogen nuclei (protons). On average, then, there is 0.3 atoms per cubic meter of space. Put in more normal terms, if you marked out a random cubic meter of empty universe, there’s a 2 out of 3 chance you would have no atoms in it. Within your one-liter bottle, you have an average of 0.0003 atoms, which is to say that there's about a 2,999 out of 3,000 chance that your bottle is atom-free.

    Better cork that bottle really quick. You don't want any of the universe to get out. Then comes the dark stuff, the invisible entities that account for the other 95.2 percent of the cosmic mass density. First off, there is dark matter. We have no idea what it is. The standard theory is that it is some kind of undiscovered particle, but there are more exotic possibilities, including new kinds of fields that modify the force of gravity. According to the current interpretation, 25.8 percent of the matter density is dark…stuff. Since we know nothing about the mass of dark-matter particles (assuming they really do exist), all we can say is that, on average, you’d have about 2.6 x 10 ^-27 grams of dark something-or-other in your bottle. Next up, dark energy. Remember when I just told you we don’t know what dark matter is? Well, we really don’t know what dark energy is. The only thing we know is that there is some kind of energy smeared through empty space astronomers can tell it's there, because the energy is pushing the universe apart, causing the cosmic expansion to accelerate. Weirdly, we don’t know what it is but we have a very accurate measurement of how much of it there is: 69.4 percent of the total density of the universe. (Energy and mass are equivalent, following the equation e=mc ^2 , and there is so much dark energy that it "outweighs” all of the matter.) That means you’d have about 6.9 x 10 ^-27 grams of dark energy lurking in your bottle. But wait—there’s more! The universe is not just matter and mass. There are also particles of light and other forms of electromagnetic radiation, collectively known as photons. A lot of them, in fact. There are about 450 photons per cubic centimeter, or 450,000 of them in your bottle. I found that amazing when I crunched the numbers. Odds are, you don’t have even a single atom in your bottle, but you have nearly half a million photons. Even more amazing, most of those photons do not come from starlight. The overwhelming majority of the photons in the universe come from the cosmic microwave background—radiation left over from the Big Bang, 13.8 billion years ago. Despite their abundance, the amount of energy the microwave photons contribute is tiny. Add them all up and they are the equivalent of just 1/1,000 ^th the mass of the atoms. We still have one more component to go, another weird one. The universe is full of neutrinos, near-inert and near-massless particles that effortlessly penetrate ordinary matter. There’s quite a blast of them streaming from the sun about 100 trillion of them pass through you every second. Take the big cosmic average again and there are about 330 neutrinos per cubic centimeter, or 330,000 of them in your bottle. Physicists have not yet been able to pin down the exact mass of those neutrinos. All we know for sure is that their total combined mass is very small, so small that it does not noticeably affect any of the observable properties of galaxies and the large-scale structure of the universe. So that is the bit of universe in your one-liter jar: a bunch of photons and neutrinos that hardly add up to anything, a schmear of dark energy, an unknown smattering of dark matter, and probably no atoms at all. That’s just the average of the entire visible universe, however. What if we come closer to home? Our crowded cosmic corner Dark energy is (probably) the same everywhere, so there's no need to recalculate. The density of dark matter close to Earth is very difficult to measure I'll ignore it here, too. But the matter density increases like crazy when you get closer to home. The space between the planets is filled with the solar wind, a steady flow of particles (mostly more protons—the universe really likes protons). At Earth’s distance from the sun, the density of the solar wind is 9 protons per cubic centimeter, or 9,000 of them in your 1-liter bottle. Even ignoring interplanetary dust, the “empty” space around Earth’s orbit has 25 million times the matter density of the average universe. Come to low-Earth orbit and things get a whole lot more crowded. At an altitude of 400 kilometers (about 240 miles), where the International Space Station orbits, there is still a lot of wispy atmosphere blowing around. The matter density there varies quite a bit, but it is on the order of 10 quadrillion times the cosmic average. When you see photos of astronauts doing a spacewalk in orbit, it sure looks like they are floating around in a vacuum. By cosmic standards, though, they are plowing through a veritable fusillade of atmospheric atoms. The non-vacuum up there is dense enough, in fact, that atmospheric drag keeps pulling the station down, requiring regular orbital boosts. It’s all relative. Return to sea level where you are now, more or less, and you need to recalibrate significantly again. The density of Earth’s atmosphere at the ground is about 0.0012 grams per cubic centimeter. That is a factor of a trillion higher than what it is in low-Earth orbit. More to the point, it is 2 x 10 ^27 times the average matter density of the universe. You could call that two octillion, or you could write it out: You are breathing a bit of universe that has been concentrated by a factor of 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000. Your body is another factor of 1,000 denser still. The extreme dynamic range of density is what gives the universe order. The exceedingly low density out there, between the galaxies, is what makes space transparent, allowing us to see nearly all the way to the outer limits of cosmic expansion. The staggeringly high density down here is what concentrates enough matter and energy to make life possible. And the organizing factor that gave rise to those the vastly varying structures is simplicity itself. It is just the pull of gravity, slowly but relentlessly amplifying little lumps and clumps. Give gravity enough time and those clumps turn into planets, atmospheres, and eventually people. Follow me on Twitter for the latest science news and discoveries : @coreyspowell

    The history of the universe is fundamentally about gravity creating dense patches of matter surrounded by enormous rarefied voids. (Credit: ESA)


    This Is How Galaxy Cluster Collisions Prove The Existence Of Dark Matter

    Dark matter — despite the enormous indirect evidence for it — sounds like a colossal misunderstanding.

    all require masses that don’t interact electromagnetically.

    However, a longstanding alternative suggests modifying gravity could explain them without dark matter.

    In 2005, a team of astronomers devised a clever test to investigate dark matter’s existence.

    When two galaxy clusters collide — a cosmically rare but important event — its internal components behave differently.

    The intergalactic gas must collide, slow, and heat up, creating shocks and emitting X-rays.

    If there were no dark matter, this gas, comprising the majority of normal matter, should be the primary source of gravitational lensing.

    Instead, gravitational lensing maps indicate that most of the mass is displaced from the normal matter.

    This remains true for every set of post-collisional X-ray clusters ever measured.

    Only if gravity is non-local, or gravitating where the matter isn’t, could the Universe not contain dark matter.

    But in pre-merger clusters, we clearly see that gravity is local: matter and gravity line up.

    Colliding clusters cannot obey different gravitational rules from non-colliding ones.

    Inescapably, dark matter must therefore exist.

    Mostly Mute Monday tells an astronomical story in images, visuals, and no more than 200 words. Talk less smile more.


    NASA Joins New Euclid Dark Energy Mission

    Telescope designed to investigate dark matter

    ABOVE VIDEO: Euclid is an ESA survey mission to investigate the nature of dark matter and dark energy. It was selected for implementation as a Medium-class mission in ESA’s Cosmic Vision programme in October 2011 and formally adopted in June 2012. The mission will be launched in 2020. (slatester)

    BREVARD COUNTY • KENNEDY SPACE CENTER, FLORIDA – NASA has joined the European Space Agency’s (ESA’s) Euclid mission, a space telescope designed to investigate the cosmological mysteries of dark matter and dark energy.

    This artist’s concept shows the Euclid spacecraft. The telescope will launch to an orbit around the sun-Earth Lagrange point L2. (Image courtesy of ESA/C. Carreau)

    Euclid will launch in 2020 and spend six years mapping the locations and measuring the shapes of as many as 2 billion galaxies spread over more than one-third of the sky.

    It will study the evolution of our universe, and the dark matter and dark energy that influence its evolution in ways that still are poorly understood.

    The telescope will launch to an orbit around the sun-Earth Lagrange point L2. The Lagrange point is a location where the gravitational pull of two large masses, the sun and Earth in this case, precisely equals the force required for a small object, such as the Euclid spacecraft, to maintain a relatively stationary position behind Earth as seen from the sun.

    “NASA is very proud to contribute to ESA’s mission to understand one of the greatest science mysteries of our time,” said John Grunsfeld, associate administrator for NASA’s Science Mission Directorate at the agency’s Headquarters in Washington.

    LONG HISTORY OF COOPERATION

    NASA and ESA recently signed an agreement outlining NASA’s role in the project. NASA will contribute 16 state-of-the-art infrared detectors and four spare detectors for one of two science instruments planned for Euclid.

    “ESA’s Euclid mission is designed to probe one of the most fundamental questions in modern cosmology, and we welcome NASA’s contribution to this important endeavor, the most recent in a long history of cooperation in space science between our two agencies,” said Alvaro Giménez, ESA’s Director of Science and Robotic Exploration.

    In addition, NASA has nominated three U.S. science teams totaling 40 new members for the Euclid Consortium. This is in addition to 14 U.S. scientists already supporting the mission. The Euclid Consortium is an international body of 1,000 members who will oversee development of the instruments, manage science operations and analyze data.

    The Euclid space telescope will conduct its surveys 1.5 million kilometers from Earth on its “night side” (Image courtesy of ESA/C.Carreau)

    Euclid will map the dark matter in the universe. Matter as we know it — the atoms that make up the human body, for example — is a fraction of the total matter in the universe. The rest, about 85 percent, is dark matter consisting of particles of an unknown type. Dark matter first was postulated in 1932, but still has not been detected directly. It is called dark matter because it does not interact with light. Dark matter interacts with ordinary matter through gravity and binds galaxies together like an invisible glue.

    While dark matter pulls matter together, dark energy pushes the universe apart at ever-increasing speeds. In terms of the total mass-energy content of the universe, dark energy dominates. Even less is known about dark energy than dark matter.

    While dark matter pulls matter together, dark energy pushes the universe apart at ever-increasing speeds. In terms of the total mass-energy content of the universe, dark energy dominates. Even less is known about dark energy than dark matter.

    CLUES ABOUT EVOLUTION AND FATE OF THE COSMOS

    The Euclid spacecraft will use two techniques to study the dark universe, both involving precise measurements of galaxies billions of light-years away. The observations will yield the best measurements yet of how the acceleration of the universe has changed over time, providing new clues about the evolution and fate of the cosmos.

    Euclid is an ESA mission with science instruments provided by a consortia of European institutes and with important participation from NASA.


    How Was the Universe Created?

    We are inching closer to piecing together the earliest moments of the universe, but its true origin is still a mystery. “Any theories or models of ‘creation’ are incredibly speculative at this point,” Paul Sutter, an astrophysicist at Ohio State University and chief scientist at the Center of Science and Industry, tells Futurism.

    Perhaps the best-known theory about the beginning of the universe is the Big Bang theory, in which the universe expanded from an extremely hot and dense singularity around 13.8 billion years ago. But people misunderstand if they think that matter simply exploded into being from nothing, Sutter says. “The Big Bang happened everywhere in the universe simultaneously it’s not an explosion in space but an explosion von space.” Yet, the exact process of what caused this (and of course, what was there beforehand) remains unknown.

    “The earlier we go in the history of the universe, the less we understand,” Sutter says. While we have caught brief glimpses of the universe when it was only 300,000 years old, scientists are still speculating about the extreme forces at play during the universe’s first moments.

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    Like all good mysteries, a question that seems simple yields more questions that must be solved before we can find the answer to the initial question. “We’re prevented from knowing the very earliest moments (like, less than 10^-40 seconds) because we don’t fully comprehend the quantum aspects of gravity,” Sutter says.

    To this end, to fully understand the creation of our universe, we will need to have a comprehensive understanding of the laws of physics that govern matter and antimatter. This is a bit of a problem, as CERN recently confirmed that the Standard Model of particle physics may have to be turned on its head, as it doesn’t account for the majority of the matter the Big Bang produced.

    Once we have fully understood the nature of antimatter and how it interacts with matter, we won’t have a final answer to the origin of the universe, but we will come much closer to understanding how it came to be.


    Slow burn

    This expansion would slow down the rate at which the star burns energy, and cause the star to appear redder than its mass would suggest. If the stars were relatively puny – roughly the mass of the Sun, they could accumulate enough dark matter to extend their lives by a billion years or so.

    Previously, astronomers had theorised that dark matter could brighten white dwarf stars, stellar embers that have stopped undergoing nuclear fusion. And other studies had suggested that dark matter may have stunted the growth of the universe’s first stars, possibly allowing them to survive to the present day.

    But this new study boasts the most detailed calculations yet of how ordinary stars might capture WIMPs, says Fabio Iocco of the National Institute for Astrophysics in Firenze, Italy.

    If such stars exist and astronomers can peer through the intervening gas and dust in the Milky Way to find them, they could provide the first direct evidence of dark matter, says Igor Moskalenko of Stanford University in California.

    “If there is even a single star with the predicted properties found there, it will be direct evidence that astrophysical dark matter consists of WIMPs and not something else – a major breakthrough,” Moskalenko told New Scientist.


    Controversy over the use of Roman ingots to investigate dark matter and neutrinos

    Bou Ferrer shipwreck with roman lead ingots. Credit: De Juan / D. G. de Cultura - Generalitat Valenciana

    The properties of these lead bricks recovered from ancient shipwrecks are ideal for experiments in particle physics. Scientists from the CDMS dark matter detection project in Minnesota (USA) and from the CUORE neutrino observatory at the Gran Sasso Laboratory in Italy have begun to use them, but archaeologists have raised alarm about the destruction and trading of cultural heritage that lies behind this. The journal Wissenschaft has expressed this dilemma formulated by two Spanish researchers in the United Kingdom.

    Two thousand years ago, a Roman vessel with ingots of lead extracted from the Sierra of Cartagena sank across the waters from the coast of Sardinia. Since 2011, more than a hundred of these ingots have been used to build the 'Cryogenic Underground Observatory for Rare Events' (CUORE), an advanced detector of neutrinos – almost weightless subatomic particles – at the Gran Sasso National Laboratory in Italy.

    In the 18th century, another ship loaded with lead ingots was wrecked on the French coast. A company of treasure hunters retrieved this material and, despite problems with French authorities, managed to sell it to the Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) team. This detector located in a mine in Minnesota (USA) looks for signs of the enigmatic dark matter, which is believed to constitute a quarter of the universe.

    These two examples have served as reference for the discussion that two researchers have opened between archaeologists, worried by the destruction of underwater cultural heritage, and particle physicists, pleased to have found a unique material for research on neutrinos and dark matter.

    As Elena Perez-Alvaro explains to SINC from the University of Birmingham: "Roman lead is essential for conducting these experiments because it offers purity and such low levels of radioactivity – all the more so the longer it has spent underwater – which current methods for producing this metal cannot reach."

    Bou Ferrer shipwreck - a roman lead ingot. Credit: De Juan/D. G. de Cultura - Generalitat Valenciana

    The two researchers have published a study in the journal 'Rosetta', also commented upon this month in Wissenschaft, which poses a dilemma: Should we sacrifice part of our cultural heritage in order to achieve greater knowledge of the universe and the origin of humankind? Should we yield part of our past to discover more about our future?

    "Underwater archaeologists see destruction of heritage as a loss of our past, our history, whilst physicists support basic research to look for answers we do not yet have," remarks Perez-Alvaro, "although this has led to situations in which, for example, private companies like Odyssey trade lead recovered from sunken ships." This is the company that had to return the treasure of the frigate Nuestra Señora de las Mercedes to Spain.

    Dialogue between underwater archaeologists and particle physicists

    The underwater archaeologist and the physicist are encouraging dialogue between both collectives, as well as developing legislation that regulates these kinds of activities, without limiting them exclusively to archaeologists, and including scientists. "Recovery for knowledge in both fields, and not merely for commercial reasons," the scientists stress.

    The jury is still out. In the case of the CUORE detector, for example, in principle the lead from the least well-preserved Roman ingots is used, although their inscriptions are cut and preserved. Some archaeologists also suggests that there are other pieces of valuable metal, such as anchor stocks, rings or tackles for fishing that we should assess whether or not to "sacrifice for science". The problem is that they are protected by UNESCO's 2001 Convention on the protection of underwater cultural heritage if they have been under water more than 10 years and the 2003 Convention for safeguarding intangible cultural heritage.

    Regarding the habitual use that Romans made of these ingots, Pérez Álvaro points out that there are many theories, "but they were generally used as water-resistant material for pipes, water tanks or roofs, but also in the manufacture of arms and ammunition."

    A special case are the large lead bricks recovered from the largest Roman ship of the excavation of the Mediterranean, the wreck of the Bou Ferrer, which sunk very close to the port of La Vila Joiosa (Alicante). A series of engravings (IMP. GER. AVG) enable specialists to determine that their owner was the Emperor of Rome himself, probably Caligula, Claudius or Nero.


    Schau das Video: Temná hmota a Temná energia (Dezember 2021).