Können wir dunkle Energie von der Erde sehen? Neue Experimente machen Hoffnung.

Ein Galaxienhaufen, der dunkle Materie in seinem Kern verbergen könnte.

Ein Galaxienhaufen, der dunkle Materie in seinem Kern verbergen könnte. (Bildnachweis: NASA/ESA/M. J. Jee/H. Ford et al. (Johns Hopkins Univ.))



Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University , Gastgeber von Frag einen Raumfahrer und ' Weltraumradio ,' und Autor von ' Dein Platz im Universum .' Sutter hat diesen Artikel dazu beigetragen Expertenstimmen von demokratija.eu: Op-Ed & Insights .



Die wahre Natur der dunklen Energie entzieht sich unserem Verständnis trotz zweier Jahrzehnte der Forschung. Frustrierenderweise scheitern die meisten Versuche, die Dunkle Energie zu erklären, an extrem strengen Tests der Teilchenphysik.

Aber neue Forschungen zeigen, wie im Inneren eine hypothetische Form dunkler Energie hergestellt werden könnte Die Sonne und konnte hier auf der Erde nachgewiesen werden. Tatsächlich haben wir es vielleicht schon gesehen.

Ein Geheimnis im Dunkeln



1997 überraschten Astronomen sich und die Welt mit der Entdeckung, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Sie gaben dieser beschleunigten Expansion einen coolen Namen – dunkle Energie – weil sie nicht verstanden, was diesen seltsamen kosmologischen Effekt verursachte.

Die einfachste Erklärung für dunkle Energie ist, dass es sich um eine „kosmologische Konstante“ handelt, eine zusätzliche Zahl, die in Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie geworfen wird. Mit anderen Worten, aus dieser Sicht beschleunigt sich die Expansion des Universums, weil … die Expansion des Universums beschleunigt wird – was nicht gerade eine befriedigende Erklärung ist. Physiker haben versucht, diese kosmologische Konstante mit der Quantenvakuumenergie der Raumzeit in Verbindung zu bringen, aber ihre Berechnungen schätzen eine Stärke für die beschleunigte Expansion um etwa 120 Größenordnungen zu groß.

Vielleicht ist dunkle Energie also nicht direkt in die Raumzeit selbst eingebettet. Vielleicht ist im Universum eine neue Kraft, ein neues Feld oder ein neues Teilchen am Werk – etwas, das den Menschen zuvor unbekannt war Standardmodell der Teilchenphysik. Diese Entität würde die beschleunigte Expansion erklären, aber auch hier stoßen theoretische Modelle auf Probleme.



Das Problem ist, dass, sobald Sie eine neue Kraft, ein neues Feld oder ein neues Teilchen in die Mischung der Bestandteile des Kosmos einführen, diese Kraft, dieses Feld oder dieses Teilchen mit allen anderen der Physik bekannten Kräften, Feldern und Teilchen zu interagieren beginnt. Und da wir in keinem unserer hochenergetischen (geschweige denn niederenergetischen) Physikexperimente Hinweise auf neue Physik haben, scheint dies keine praktikable Option zu sein.

Hinter dem Bildschirm

Vielleicht hat die Dunkle Energie noch einen Trick im Ärmel. Vielleicht gibt es eine Entität, die die beschleunigte Expansion auf großen kosmologischen Skalen erzeugt, und etwas innerhalb dieser Entität schirmt sie davon ab, mit bekannter Physik auf kleinen Skalen des Sonnensystems zu interagieren.

Es ist ein bisschen mühsam, aber da wir keine Ahnung haben, was dunkle Energie erzeugt, lohnt es sich, es zu untersuchen. Aber wie finden wir in unseren Experimenten etwas, das unseren Experimenten verborgen bleiben soll?



Einige Theoretiker haben vorgeschlagen, dass dunkle Energie durch eine neue Art von Teilchen verursacht werden könnte. Dieses hypothetische Teilchen könnte nicht mit anderen Teilchen aus dem Standardmodell (wie Elektronen und Top-Quarks) wechselwirken, weil es in großer Menge im Zentrum der Sonne produziert worden wäre, wo die Dichten und Temperaturen hoch genug sind für Wechselwirkungen zwischen dunkler Energie und dem Standardmodell auftreten. Die Produktion dunkler Energieteilchen im Inneren der Sonne würde ihr thermisches Gleichgewicht durcheinander bringen und ihre Lichtleistung, Temperatur und Lebensdauer verändern. Und weil das Verhalten der Sonne genau dem entspricht, was wir vom Standardmodell erwarten, kann sie diesen Theorien zufolge in ihrem Kern keine dunklen Energieteilchen produzieren.

Aber ein kürzlich veröffentlichtes Papier an die Preprint-Datenbank arXiv.org schlägt eine andere Möglichkeit vor: Vielleicht verbindet sich dunkle Energie nicht direkt mit irgendwelchen Standardmodell-Partikeln, aber mit Photonen.

Tief im Inneren der Sonne befindet sich eine Region, die als Tachocline bekannt ist, in der das Magnetfeld der Sonne extrem stark ist. Magnetfelder werden von Photonen getragen, so dass in der Tachocline tonnenweise Photonen produziert werden. Wenn dunkle Energie irgendwie mit Photonen verbunden ist, dann könnten hier auch dunkle Energieteilchen erzeugt werden.

Jetzt siehst du es

Das Ergebnis ist, dass es tatsächlich eine Möglichkeit für die Sonne geben könnte, dunkle Energieteilchen auszuspucken. Diese dunklen Energieteilchen würden dann durch den Rest der Sonnenmasse, durch den leeren Raum, schießen und jetzt durch euch hindurchströmen.

Es gibt eine andere Entität im Universum, die gerade still durch dich strömen könnte: Dunkle Materie. Dunkle Materie ist die unsichtbare Form der Materie, die über 80 % der Masse des Universums ausmacht. Wie diese hypothetische Form dunkler Energie besteht die Dunkle Materie wahrscheinlich aus einem Teilchen, das dem Standardmodell der Teilchenphysik derzeit unbekannt ist und durch das Universum strömt. Und es ist auch völlig mysteriös.

Mehrere über die Erde verstreute Experimente suchen nach schwer fassbaren Teilchen der Dunklen Materie, da Wissenschaftler hoffen, einen Blick auf eine extrem seltene Wechselwirkung zu erhaschen. Kürzlich beobachtete eines dieser Experimente, XENON1T , ein Signal, das es nicht vollständig erklären konnte – der erste leichte Hinweis auf eine solche Entdeckung.

Und es besteht die Möglichkeit, dass das Experiment, basierend auf der neuesten Forschung, möglicherweise keine dunkle Materie, sondern dunkle Energie war. Es ist keine sehr starke Erkennung und es ist alles andere als eine Bestätigung der Natur der dunklen Energie. Aber ein Hinweis ist ein Hinweis. Seit der ursprünglichen Entdeckung der Dunklen Energie sind über zwei Jahrzehnte vergangen, und sowohl Theorie als auch Experiment haben keine großen Fortschritte gemacht.

Wissenschaftler hoffen, dass zukünftige Experimente zum Nachweis von Dunkler Materie, wie XENONnT und PandaX-4T, mehr Daten liefern und uns endlich unseren ersten Einblick in das dunkle Universum geben werden.

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