Dunkle Materie - Freies Gymnasium Borsdorf

3. Extreme Materieformen
3.1. Dunkle Materie
Ihre Existenz gilt bisher als nicht nachgewiesen. Durch weitere astronomische
Beobachtungen wird ihre Existenz für sehr wahrscheinlich gehalten. Gründe
für ihr Vorhandensein belegt die Dynamik von Galaxienhaufen und durch die
Beobachtung des Gravitationslinseneffekt. Diese Beobachtungen lassen sich
durch die sichtbare Materie allein nicht erklären, wenn man davon ausgeht,
dass die anerkannten Gravitationsgesetze allgemeingültig sind.
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3. Extreme Materieformen
3.1. Dunkle Materie
1. Nenne die Naturbeobachtungen, die zur Annahme führen, dass im
Universum die Dunkle Materie existiert.
2. Beschreibe den Aufbau der Materie im Universum, die anteilmäßig alle
Existenzformen enthält.
3. Nenne Wissenschaftler und beschreibe deren Wirkung, die maßgeblich die
Existenz der Dunklen Materie bestätigen.
4. Beschreibe Teilchen, aus der diese Materieform besteht.
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2.3. Die Bewegung der Milchstraße
2.3.3. Bestimmung der Bewegung von Sternen und Galaxien
Auch die Rotationsgeschwindigkeiten größerer astronomischer Objekte,
wie Galaxien und Galaxienhaufen, lassen sich mit Hilfe der unterschiedlichen Radialgeschwindigkeiten des enthaltenen Materials bestimmen.
Rotationskurve der
Andromeda-Galaxie.
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2.3. Die Bewegung der Milchstraße
2.3.3. Bestimmung der Bewegung von Sternen und Galaxien
Die Rotationskurve einer Galaxie beschreibt den Zusammenhang zwischen
der Bahngeschwindigkeit ihrer Sterne und deren Abstand vom
Galaxiezentrum.
Gemessene Rotationsgeschwindigkeiten der weiter außen gelegenen Sterne
werden durch die weiße Linie wiedergegeben, während Geschwindigkeiten,
die man aus der abgeschätzten Masse der sichtbaren Materie in der Galaxie
erwarten würde, durch die rote Linie dargestellt sind. Daraus leiten wir ab,
dass über 80% der Masse dieser Galaxie aus Dunkler Materie bestehen
müssen.
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3.1. Dunkle Materie
Der Dunklen Materie wird eine wichtige Rolle
bei der Strukturbildung im Universum und bei
der Galaxienbildung zugeschrieben. Durch
Messungen im Rahmen des Standardmodells
der Kosmologie wurde erkannt, dass der Anteil
der Dunklen Materie an der Gesamtmasse im
Universum etwa fünfmal höher ist als der
Anteil der gewöhnlichen (sichtbaren) Materie.
Photonen und Neutrinos zählen zur normalen
Materie und rufen nicht den Gravitationslinseneffekt hervor.
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Der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort vermutete im Bereich der
Scheibe der Milchstraße 1932 die Existenz Dunkler Materie. Diese Annahme
begründete er auf Grund seiner Untersuchungen zur Anzahldichte und
Geschwindigkeitsverteilung, senkrecht zur Scheibe, von verschiedenen
Sternpopulationen und für verschiedene Abstände zur Scheibe. Er ermittelte
daraus eine Massendichte in der Scheibe (in der Umgebung der Sonne) von
0,092 Sonnenmassen pro Kubikparsec. Diese Dichte übertraf den damals
bekannten Wert der Dichte von 0,038 Sonnenmassen pro Kubikparsec in Form
von Sternen. Der heutige Wert, allerdings wurde ein Großteil der Diskrepanz
als Gas und Staub identifiziert, ergibt zusammen mit der stellaren Masse
0,095 Sonnenmassen pro Kubikparsec.
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Jan Hendrik Oort
war ein
niederländischer
Astronom und lebte
von 1900 bis 1992.
Im Jahre 1927 bestätigten Jan Hendrik Oort und seine
Kollegen die Hypothese von über die Rotation unserer
Galaxis. Er lokalisierte das Milchstraßenzentrum 30.000
Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Sagittarius
(Schütze). Er zeigte, dass die Milchstraße eine Masse
von 100 Milliarden Sonnenmassen hat.
In den 1950er-Jahren postulierte Oort einen als
Oortsche Wolke bekannt gewordenen Bereich am
Rande des Sonnensystems, aus dem die Kometen
stammen.
Oort zeigte die Polarisierung der Strahlung vom
Krebsnebel und erkannte sie als Synchrotronstrahlung.
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Ungefähr gleichzeitig beobachtete der Schweizer Physiker und Astronom
Fritz Zwicky 1933, dass der Coma-Haufen (ein Galaxienhaufen, der aus
über 1000 Einzelgalaxien besteht, mit großer Streuung der
Einzelgeschwindigkeiten und einer mittleren Entfernungsgeschwindigkeit
von 7.500 km/s) nicht durch die Gravitationswirkung seiner sichtbaren
Bestandteile, im Wesentlichen durch die Sterne der Galaxien, allein
zusammengehalten wird. Er stellte fest, dass das 400fache der sichtbaren
Masse notwendig ist, um den Haufen gravitativ zusammenzuhalten.
Seine Hypothese, dass diese fehlende Masse in Form Dunkler Materie
vorliege, stieß seinerzeit in der Fachwelt auf breite Ablehnung.
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Fritz Zwicky (1898-1974) war ein Schweizer Physiker und
Astronom, der vorwiegend am California Institute of
Technology (Caltech) wirkte.
F. Zwicky lieferte als Wegbereiter neuer astronomischer Ideen
wichtige Erkenntnisse zu extragalaktischen Sternsystemen. So
entdeckte er die kompakten Galaxien, stellte 1938 als erster
die Hypothese auf, Supernova-Explosionen seien die Folge
eines Gravitationskollapses. Er schloss auf die Existenz von
Dunkler Materie.
Im selben Jahr stellte er erste Überlegungen zum Auftreten
von Galaxien als Gravitationslinsen an.
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F. Zwicky entdeckte insgesamt 123 Supernovae, mehr als jeder andere
einzelne Astronom bislang. Auf ihn geht auch die als wahr erwiesene
Vorhersage zurück, der Krebsnebel sei der Überrest der von chinesischen
Astronomen beobachteten Supernova von 1054.
F. Zwicky schlug vor, SupernovaExplosionen als Standardkerzen zur
Entfernungsmessung zu verwenden. An
der Verwirklichung dieser Idee wird seit
Beginn des 21. Jahrhunderts verstärkt
gearbeitet. Ein Asteroid und ein
Mondkrater sind nach Fritz Zwicky
benannt.
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Vera Rubin analysiert seit 1960 die Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in
Spiralgalaxien und zeigte erneut auf diese Problematik. Die
Umlaufgeschwindigkeit der Sterne müsste viel niedriger sein, wenn ihr Abstand
zum Galaxienzentrum zunimmt. Seitdem wurde die Dunkle Materie
ernstgenommen und aufgrund detaillierter Beobachtungen in fast allen großen
astronomischen Systemen vermutet.
Vera Cooper Rubin (1928-2016) war eine US-amerikanische
Astronomin, die sich vorwiegend mit der Erfassung der Verteilung
der Dunklen Materie beschäftigte. Rubins Ergebnisse waren
zusammen mit ähnlichen Resultaten aus Radiomessungen der 21cm-Linie des atomaren Wasserstoffs die stärksten Anzeichen für
die Existenz Dunkler Materie in normalen Galaxien.
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Mit der Durchführung großräumiger Durchmusterungen von Galaxienhaufen
und Galaxiensuperhaufen wurde zusätzlich deutlich, dass diese Konzentration
an Materie nicht allein durch die sichtbare Materie bewerkstelligt werden
konnte. Von der sichtbaren Materie ist zu wenig vorhanden, um durch
Gravitation die Dichtekontraste zu erzeugen.
Dunkle Materie könnte sich tatsächlich im Erdkern und
im Zentrum der Sonne anhäufen. Vielleicht hält sie sogar
einige der ersten Sterne bis heute am Leuchten.
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3.1. Dunkle Materie
Kandidat für dunkle Materie
Axionen werden, neben den Neutrinos und den ebenfalls nur
postulierten WIMPs und MACHOs, als mögliche Kandidaten zur Lösung
des Problems der dunklen Materie Falls Axionen einen Großteil der
dunklen Materie darstellen, ergaben Gitter-QCD-Berechnungen zur
Masse der Axionen Massewerte von 50 bis 1500 Mikroelektronenvolt und damit bis zu Zehnmilliarden Mal leichter als das Elektron.
Nachweisexperimente
Diverse Experimente versuchen mit verschiedenen Methoden, Axionen
nachzuweisen. Bis 2014 konnten keine Axionen gefunden werden.
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3.1. Dunkle Materie
Physiker haben erstmals einen Steckbrief für
Axionen erstellt - potenzielle Teilchen der
Dunklen
Materie.
Mit
Hilfe
eines
Supercomputers ermittelten sie, wie viele
dieser hypothetischen Partikel nach dem
Urknall entstanden und wie schwer sie sein
müssten. Die Masse der Axionen liegt
demnach in einem Bereich, der demnächst
mit Detektoren erfasst werden kann, wie die
Forscher
im
Fachmagazin
"Nature"
berichten.
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Durch genaue Datenanalyse, Modellierung und Simulationen der
Galaxienhaufen können wir wichtige Erkenntnisse über deren Evolution und
die Rolle innerhalb der großräumigen Struktur des Universums gewinnen.
Unser Hauptziel ist ein Beitrag zum Verständnis der Bildung der
beobachtbaren großräumigen Struktur des Kosmos und die Entwicklung von
genaueren Tests kosmologischer Modelle.
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Quellen
Zusammensetzung
Von NASA / WMAP Science Team - [1], Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16015905
Voids im Weltall
http://www1.wdr.de/text220~_v-gseapremiumxl.jpg
Viele schwarze Löcher
http://img.goodchinabrand.com/aHR0cDovL2ltZy5hdHVwYXBhLmNvbTo4MC9hSFIwY0RvdkwybHRZV2RsTG10bGFtbDRkVzR1WTI5dEx6SXdNVFl2TURJeU55OHlNREUyTURJeU56RXhNek
F3TlRVME55NXFjR2M9LmpwZw==.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/e/ef/Fritz_Zwicky.png
https://www.aip.org/system/files/styles/esva_full/private/esva-images/rubin_vera_a2_0.jpg?itok=dUdXsar9
Galaxienhaufenuntersuchung
http://www.xray.mpe.mpg.de/theorie/cluster/IMAGES/A754_figs_2.jpeg
Galaxienhaufenuntersuchung
http://www.xray.mpe.mpg.de/theorie/cluster/IMAGES/RXCJ1206_0848.gif
https://www.raumfahrer.net/astronomie/kosmologie/images/darkmatter_01.jpg
http://www.spektrum.de/astrowissen/images/obs/COSMOS/DM-3D-Karte.jpg
http://www.spektrum.de/fm/912/thumbnails/dark%20energy%20universe.jpg.575230.jpg
http://player.slideplayer.org/1/213218/data/images/img93.jpg
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