Dunkle Materie

Was ist mit dem Universum los? Ungefähr 31 %.

2024

Wenn Sie das Universum verstehen wollen – und wir tun es – müssen Sie verstehen, was darin enthalten ist. Ich meine nicht Sterne und Planeten und Schwarze Löcher und so. Wir müssen noch breiter werden.

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Wie viel Energie steckt im Universum? Wie viel Materie? Und um etwas genauer zu sein, welche Arten von Energie und Materie?

Wir nennen das der Masse-/Energiehaushalt des Universums . Wie ein Haushaltsbudget berücksichtigt es (hoffentlich) alles, was darin enthalten ist, unterteilt nach Typ. Im Fall des Universums wissen wir, dass es aus – in absteigender Reihenfolge – besteht dunkle Energie , Dunkle Materie , und normale Angelegenheit. Aber wie viel von jedem?

Eine neue Studie befasste sich mit just matter , und kam zu einer ziemlich engen Zahl: 31,5 ±1,3% des Universums bestehen aus Materie (was wiederum bedeutet, dass 68,5% dunkle Energie sind).

Diese Zahlen sind ziemlich wichtig. Wenn das Universum weniger Materie hätte, würde es sich schneller ausdehnen – gewissermaßen verlangsamt die Schwerkraft dieser Materie die Expansion.

Hineinzoomen

Der Masse-/Energiehaushalt des Universums zeigt uns, dass das meiste im Kosmos dunkle Energie ist, dann dunkle Materie und schließlich die normale Materie, aus der Gas, Staub und Sterne bestehen. Kredit: UCR/Mohamed Abdullah

Das hat auch Auswirkungen auf Sachen In das Universum und nicht nur das Universum selbst. Zum Beispiel half die Schwerkraft im frühen Universum, Materie zu verklumpen, da sie von sich selbst angezogen wurde. Es kondensierte aus der heißen Suppe des Zeugs, bildete Galaxien und Galaxienhaufen . Wäre das Materiebudget anders gewesen, würden Galaxien und Haufen anders aussehen oder hätten sich vielleicht gar nicht gebildet.

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Diesen Zahlen verdanken wir unsere Existenz.

Tatsächlich waren es Galaxienhaufen, auf die sich die neue Arbeit konzentrierte. Dies sind riesige Ansammlungen ganzer Galaxien, Hunderte oder Tausende von ihnen, die alle durch ihre gegenseitige Gravitation zusammengehalten werden. Ihre Struktur hängt von der Dichte der Materie im Universum ab. Durch ihre Untersuchung konnten die Wissenschaftler diese Dichte herausfinden.

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Die Anzahl der Cluster in einem bestimmten Volumen des Universums hängt von der Massendichte (bezeichnet mit Ωm) ab, so dass die Messung der Massen der Cluster die Massendichte des Universums anzeigt. Kredit: UCR/Mohamed Abdullah

Sie entwickelten eine Methode, um Cluster so unvoreingenommen wie möglich zu finden le. Sie betrachteten unglaubliche 700.000 Galaxien und untersuchten dann ihre Positionen und Bewegungen im Weltraum, um zu sehen, ob sie zu Haufen gehörten. Aus dieser Stichprobe wählten sie 756 nahe gelegene Galaxienhaufen (bis zu etwa 1,6 Milliarden Lichtjahre entfernt, also ist „in der Nähe“ relativ) für ihre Analyse aus.

Dann fanden sie die sogenannte Cluster-Massenfunktion, die die Anzahl der Cluster da draußen im Universum in einem gegebenen Raumvolumen für eine gegebene Masse des Clusters ist. In einigen Teilen des Universums können Sie zum Beispiel viele massearme, weniger mittelschwere und eine kleinere Anzahl wirklich riesiger Cluster sehen. Diese Verteilung hängt von der Dichte der Materie im Universum ab und wird durch Dinge wie die Tatsache, dass sich die Dichte mit der Zeit ändert, wenn sich das Universum ausdehnt, sowie durch die Schwierigkeit, die Masse des Haufens zu bestimmen, kompliziert.

Das letzte Stück ist ein harter Brocken. Es gibt viele Möglichkeiten, die Masse eines Clusters zu schätzen, von denen viele statistischer Natur sind (Betrachtung vieler Cluster, um verrauschte Statistiken zu mitteln). Diese führen jedoch zu anderen Problemen, die dies erschweren. In diesem Fall entschieden sich die Wissenschaftler für die sogenannte Virial-Methode, um die Masse zu ermitteln – wenn sich Galaxien in einem Haufen bewegen, interagieren sie und tauschen Energie aus (schnellere ziehen beispielsweise an langsameren an und beschleunigen sie). Dies hängt von der Gesamtmasse des Clusters ab und bietet eine ziemlich gute Möglichkeit, diese Zahl zu erhalten.

Dann ließen sie die Zahlen laufen, um zu sehen, welche kosmische Massendichte sie brauchten, um die Massenverteilung von Clustern zu erklären, und erhielten 31,5% (unter Verwendung von Nur ihre Daten erhielten sie 31 % mit einer Unsicherheit von etwa 2,3 %, aber die Kombination ihrer Ergebnisse mit anderen Studien ergab die etwas genauere Zahl).

Im Allgemeinen ist diese Zahl a gering etwas höher als bei den meisten anderen Methoden (je nachdem, wie Sie es messen, liegt es zwischen 25 und 35%), aber nicht erschreckend. Sie behaupten, ihre sei die genaueste Messung dieser Zahl, die jemals gemacht wurde, aber ich lasse andere Experten diese Behauptung auswerten.

Es ermöglicht Ihnen auch, die durchschnittliche Dichte der Materie im Universum zu berechnen, und sie beträgt etwa 10^-2.3Gramm pro Kubikmeter. Das ist winzig. Das entspricht etwa 6 Wasserstoffatomen pro Kubikmeter. Zum Vergleich: Luft hat auf Meereshöhe etwa 1.200 Gramm pro Kubikmeter oder etwa 10²⁵Atome pro Kubikmeter – ein Faktor von etwa einer Septillion (oder einer Million Millionen Millionen Millionen) mehr. Der Raum ist wirklich leer.

Ich merke auch das ist gesamt Materie, einschließlich dunkler und 'normaler' Materie. Das Budget der Materie selbst im Universum ist ungefähr 5-zu-1 dunkle bis normale Materie, also ungefähr eine Aufteilung von 84/16. Dieses Verhältnis ist jedoch nicht sehr bekannt. Eine Idee übrigens ist, dass dunkle Materie aus Axionen besteht , die ein theoretisches Teilchen mit sehr geringer Masse sind. Wenn das der Fall ist, würde dieser Kubikmeter Raum eher 1 Wasserstoffatom und viele, viele Milliarden Axionen enthalten.

Hier bitteschön. Diese neue Studie, sollte sie herauskommen, ist ein weiterer Schritt, um all dies in Ordnung zu bringen. Jeden Tag kommen wir ein bisschen näher daran, herauszufinden, na ja, das Weltall , und warum wir überhaupt hier sind. Es mag ein wenig esoterisch erscheinen, aber schauen Sie sich um. All das Zeug, das du siehst, existiert , und zwar aufgrund der Funktionsweise des Universums. Der Blick unter seine Haube ist eines der coolsten Dinge, die Menschen tun.