Neue Karte der Dunklen Materie stellt die Urknalltheorie auf den Prüfstand (Kavli Roundtable)

Dark Energy Kamera im Victor Blanco Teleskop

Die Dark Energy Camera ist im Victor Blanco-Teleskop montiert, hier zusammen mit anderen Teleskopen am Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile. (Bildnachweis: Fermilab)

Adam Hadhazy, Autor und Redakteur für The Kavli-Stiftung , hat diesen Artikel dazu beigetragen Expertenstimmen von demokratija.eu: Op-Ed & Insights .



Die vorherrschende Sicht auf das Universum hat gerade einen strengen neuen Test bestanden, aber die Geheimnisse der dunklen Materie und der dunklen Energie bleiben frustrierend ungelöst.

Im August wurde eine neue kosmische Karte enthüllt, die zeigt, wo sich die mysteriöse Substanz namens Dunkle Materie im Universum ansammelt. Zu großer Erleichterung – und Frustration – entspricht die Karte genau dem, was Wissenschaftler erwartet hatten. Die Verteilung der Dunklen Materie stimmt mit unserem aktuellen Verständnis eines Universums überein, das mit bestimmten Eigenschaften in einem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren geboren wurde. [ Das Universum: In 10 einfachen Schritten vom Urknall bis jetzt ]

Aber trotz aller Bestätigungskraft der Karte sagt sie uns immer noch wenig über die wahre Identität der Dunklen Materie aus, die als unsichtbares Gerüst für Galaxien und kosmische Strukturen fungiert. Es erklärt auch nicht einen noch größeren Faktor, der den Kosmos formt, bekannt als dunkle Energie, eine rätselhafte Kraft, die das Universum scheinbar mit immer größerer Geschwindigkeit auseinander treibt. Verlockenderweise könnte jedoch eine kleine Diskrepanz zwischen den neuen Erkenntnissen und früheren Beobachtungen des frühen Universums die Tür für eine neue Physik aufbrechen.

Um diese Fragen zu diskutieren, wandte sich die Kavli Foundation an drei Wissenschaftler, die an der Erstellung dieser neuen kosmischen Karte beteiligt waren, die von der Umfrage zur Dunklen Energie .

Die Teilnehmer waren:

  • SCOTT DODELSON- ist ein Kosmologe und der Leiter der Fakultät für Physik der Carnegie Mellon University. Er ist einer der leitenden Wissenschaftler hinter der neuen Karte der kosmischen Struktur des Dark Energy Survey, an der er am Fermi National Accelerator Laboratory und als Professor an der Kavli-Institut für kosmologische Physik an der Universität Chicago.
  • LACHEN WECHSLER- ist ein außerordentlicher Professor für Physik an der Stanford University und dem SLAC National Accelerator Laboratory sowie Mitglied des Kavli-Institut für Teilchen-Astrophysik und Kosmologie . Als Gründer des Dark Energy Survey ist Wechsler auch an zwei Next-Generation-Projekten beteiligt, die noch tiefer in das dunkle Universum vordringen.
  • GEORGE EFSTATHIOU- ist ein Professor für Astrophysik und der ehemalige Direktor der Kavli-Institut für Kosmologie an der Cambridge-Universität. Neben seiner Arbeit am Dark Energy Survey ist Efstathiou wissenschaftlicher Teamleiter für die Raumsonde Planck der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die zwischen 2009 und 2013 eine detaillierte Karte des frühen Universums erstellt hat.

Das Folgende ist eine bearbeitete Abschrift ihrer Diskussion am runden Tisch. Den Teilnehmern wurde die Möglichkeit gegeben, ihre Anmerkungen zu ändern oder zu bearbeiten.

THE KAVLI FOUNDATION: Der Dark Energy Survey hat gerade bestätigt, dass Materie, wie wir sie kennen, nur vier Prozent des Universums ausmacht. Das heißt, 96 Prozent sind Dinge, die wir weder sehen noch anfassen können, und wir haben so gut wie keine Ahnung, was es wirklich ist. Warum sind diese neuen Erkenntnisse eigentlich eine gute Nachricht?

LACH WECHSLER:Es scheint sehr seltsam, dass die Ergebnisse eine gute Nachricht sind, oder? Vor vierzig Jahren hätte niemand gedacht, dass wir anscheinend in einem Universum leben, in dem die meiste Materie aus Stoff besteht, der nicht mit uns interagiert, und die meiste Energie nicht einmal Materie ist! Es ist immer noch super umwerfend.

Risa Wechsler

Risa Wechslers Forschung nutzt Computermodelle und numerische Simulationen, um die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute aufzuzeichnen.(Bildnachweis: Risa Wechsler)

Aber wir haben immer genauere Messungen des Universums gemacht, und hier kommen die Ergebnisse der Dark Energy Survey ins Spiel. Sie sind die genauesten Messungen der Dichte von Materie und ihrer Klumpen im Lokaluniversum. In der Vergangenheit haben wir die Dichte der Materie im jungen, fernen Universum gemessen. Der Dark Energy Survey ermöglicht es uns also wirklich, unser Verständnis der Evolution des Universums zu testen, das wir als Standardmodell der Urknall-Kosmologie formalisiert haben [Siehe Seitenleiste unten: ' Ein kosmisches Rezept '], auf eine ganz neue Art und Weise.

Dennoch ist es durchaus möglich, dass etwas nicht stimmt.

SCOTT DODELSON:Diese Daten, zusammen mit präzisen Messungen, die von anderen Projekten vorgenommen wurden, könnten kleine Anzeichen von Unstimmigkeiten oder Spannungen, wie wir es nennen, mit unserem derzeitigen Verständnis davon zeigen, wie das Universum begann und expandiert nun tatsächlich mit zunehmender Geschwindigkeit.

Scott Dodelson konzentriert sich auf die Schnittmenge von Kosmologie und Teilchenastrophysik, wo die größten kosmischen Strukturen letztendlich durch das Verhalten der kleinsten Teilchen der Materie und der Dunklen Materie entstehen.

Scott Dodelson konzentriert sich auf die Schnittmenge von Kosmologie und Teilchenastrophysik, wo die größten kosmischen Strukturen letztendlich durch das Verhalten der kleinsten Teilchen der Materie und der Dunklen Materie entstehen.(Bildnachweis: Scott Dodelson)

Wie Risa gerade sagte, sind wir uns nicht sicher, ob unsere derzeitige Denkweise richtig ist, da wir im Wesentlichen Dinge erfinden müssen, nämlich dunkle Materie und dunkle Energie. Es könnte sein, dass wir wirklich nur noch einen Monat von einer wissenschaftlichen Revolution entfernt sind, die unser gesamtes Verständnis der Kosmologie auf den Kopf stellen wird und diese Dinge nicht erfordert. [ Erstaunliche Fotos von der Dark Energy Camera in Chile ]

GEORGE EFSTATHIOU:Die von Risa erwähnten Messungen von Materie und Energie im jungen, fernen Universum wurden erst vor wenigen Jahren durchgeführt, als ein anderes Programm namens Planck die Reliktstrahlung des Urknalls untersuchte, die wir als kosmischer Mikrowellenhintergrund . Obwohl die Messungen der Planck-Raumsonde das hier angesprochene Modell unterstützen, ist es immer unangenehm, Dinge wie dunkle Materie und dunkle Energie zu postulieren, die nicht beobachtet wurden. Deshalb ist der Dark Energy Survey sehr wichtig – er kann unser Wissen über die Geburt des Universums stringent testen, indem er es mit der tatsächlichen Struktur des modernen und jungen Universums vergleicht.

TKF: Die Dark Energy Survey startete vor vier Jahren, Sie haben also lange auf diese Ergebnisse gewartet. Was war Ihre erste Reaktion?

DODELSON:Es war die erstaunlichste Erfahrung meiner wissenschaftlichen Karriere. Am 7. Juli 2017, einem Datum, an das ich mich immer erinnern werde, nahmen 50 Personen an einer Telefonkonferenz teil. Niemand wusste, was die Daten aussagen würden, weil sie verblindet waren, was davor schützt, die Ergebnisse versehentlich so zu verzerren, dass sie etwas sind, was Sie 'wollen'. Dann ließ einer der Leiter der Linsenanalyse, Michael Troxel, ein Computerskript mit den Daten laufen, entblendete sie und teilte seinen Bildschirm mit allen Teilnehmern des Anrufs. Wir alle haben unsere Ergebnisse mit denen von Planck verglichen. Sie waren sich so eng einig, unabhängig voneinander. Wir alle keuchten nur und klatschten dann.

WECHSLER:Ich war auch in dieser Telefonkonferenz. Es war wirklich aufregend. Ich habe an dieser Umfrage gearbeitet, seit wir 2004 den ersten Vorschlag geschrieben haben, also fühlte es sich wie ein Höhepunkt an.

TKF: Planck hat uns 2013 ein sehr genaues „Baby“-Bild des Universums gegeben. Jetzt haben wir ein hochpräzises Bild des Universums in einer späteren Epoche. George, Sie waren ein Anführer der Planck-Mission. Was sehen Sie, wenn Sie sich diese beiden unterschiedlichen Zeitaufnahmen ansehen?

ERFÜLLT:Das 'Baby'-Bild stimmt mit einem Universum überein, das hauptsächlich aus dunkler Materie und dunkler Energie besteht. Es stimmt auch mit der Vorstellung überein, dass das Universum in seinen frühesten Momenten eine exponentielle Expansion durchgemacht hat, die als Inflation bekannt ist. Wie lässt sich das Babybild auf das moderne, „erwachsene“ Universum übertragen? Wie die Ergebnisse der neuen Dark Energy Survey zeigen, sind die Bilder bemerkenswert konsistent.

George Efstathiou interessiert sich sowohl für die beobachtende als auch für die theoretische Kosmologie, einschließlich Studien der großräumigen Struktur, der Galaxienbildung und des kosmischen Mikrowellenhintergrunds.

George Efstathiou interessiert sich sowohl für die beobachtende als auch für die theoretische Kosmologie, einschließlich Studien der großräumigen Struktur, der Galaxienbildung und des kosmischen Mikrowellenhintergrunds.(Bildnachweis: George Efstathiou)

DODELSON:Wir sind alle erstaunt, dass diese beiden Bilder in dem Maße übereinstimmen, wie sie es tun. Hier ist ein Beispiel. Nehmen wir an, Sie haben 1970 Aktien von Berkshire Hathaway gekauft. Sagen wir, es waren damals 10 US-Dollar pro Aktie und heute sind es 250.000 US-Dollar pro Aktie. Wenn Sie damals vorhersagen würden, dass es heute 250.000 USD sind, plus oder minus 1.000 USD, hätten die Leute Sie für verrückt gehalten. Aber im Grunde haben wir das getan. Als das Universum noch sehr jung war, nur 380.000 Jahre alt, war es auch sehr „glatt“. Die Materie war so gleichmäßig verteilt. Heute jedoch – mehr als 13 Milliarden Jahre später – ist die Materie im Kosmos stark, stark in Galaxien, Sternen, Planeten und anderen Objekten verklumpt. Dies würde man bei der kosmischen Expansion erwarten, und mit dem Dark Energy Survey konnten wir die Vorhersage dieser kosmischen Ungleichmäßigkeit in bemerkenswertem Maße bestätigen.

WECHSLER:Was uns bei den präzisen Messungen mit Dark Energy Survey wirklich geholfen hat, ist, dass wir zum ersten Mal einen viel größeren Bereich überblicken, etwa ein Dreißigstel des Himmels. Das ist drei- oder viermal größer als die größte Karte der Dunklen Materie, die wir je gemacht haben. Wir sind auch in der Lage, diese Karte im Wesentlichen über die Hälfte des Alters des Universums von heute bis vor etwa sieben Milliarden Jahren zu erstellen, indem wir Licht von entfernten Galaxien sammeln. Wir sind also in der Lage, diese Geschichte über die Hälfte der Geschichte des Universums zu erzählen, und sie bleibt durchgehend konsistent.

Es gibt einige kleine Meinungsverschiedenheiten mit den Planck-Ergebnissen, aber ich denke, wir sollten uns deswegen noch keine allzu großen Sorgen machen. [ Galerie: Raumsonde Planck sieht Urknall-Relikte ]

ERFÜLLT:Es wäre sehr interessant gewesen, wenn die Ergebnisse die Spannung mit dem kosmologischen Standardmodell deutlich erhöht hätten, das die Grundlage für das Verständnis ist, warum das Universum ab dem Urknall eine beschleunigte Expansion durchmacht. Einige frühere Umfragen hatten darauf hingewiesen, dass es ein Problem geben könnte, obwohl ich diese Ergebnisse für fragwürdig hielt. Aus meiner Sicht sollte man sich auf die Daten verlassen und sich nicht beunruhigen, wenn unsere Theorien mit den Beobachtungen nicht übereinstimmen. Das Universum ist, was es ist.

TKF: Noch a Nature News-Geschichte charakterisierte Georges Sicht auf die Diskrepanzen als „besorgniserregend“.

ERFÜLLT:Nun ja, es gab einige Behauptungen über Spannungen zwischen der im Lokaluniversum gemessenen Verklumpung und Plancks Beobachtungen des fernen Universums. Einige andere Beobachtungen deuten darauf hin, dass sich das späte Lokaluniversum schneller ausdehnt als von Planck erwartet.
Wenn wir überzeugend sagen könnten, dass jedes dieser einzelnen Daten ein echtes Problem darstellt, dann müssten wir unser Standardmodell der Kosmologie aufgeben. Wir bräuchten eine neue Physik, und die Art von Physik, die wir brauchen würden, würde sich im exotischen Terrain bewegen und Jahrzehnte ansonsten unabhängig unterstützter physikalischer Gesetze umstürzen. Es ist also eine große Sache.

In der Vergangenheit sind diese Art von Spannungen gekommen und gegangen. Als wir die Planck-Papiere von 2013 schrieben, standen die Ergebnisse damals in Spannung mit den meisten Astrophysikern. Zwei Jahre später waren einige dieser Spannungen verschwunden, und jetzt, im Jahr 2017, sind sie wieder aufgetaucht. Also diese Dinge kommen und gehen. Wir müssen eine hohe Schwelle für unsere Wissenschaft festlegen, bevor wir mit Erklärungen auf der Grundlage neuer Physik beginnen.

TKF: Es klingt fast so, als ob es noch nicht kaputt ist, repariere es nicht.

ERFÜLLT:Wir müssen sicher sein, dass es kaputt ist, bevor wir es reparieren.

WECHSLER:Ich stimme Georg zu. Es gibt eine sehr hohe Messlatte, um zu zeigen, dass Sie alle möglichen Fehlerquellen wirklich verstehen, bevor Sie den großen Sprung wagen, unsere aktuelle, gut belegte Vorstellung vom Universum aufzugeben. Ich glaube, wir sind noch nicht da. Das bedeutet, dass wir wirklich gespannt auf die fortlaufende Dark Energy-Umfrage sowie auf alle anderen bevorstehenden Umfragen und Projekte sein sollten.

TKF: Tatsächlich basieren diese neuen Ergebnisse auf Messungen von einem Jahr von insgesamt fünf Jahren. Was können wir nach vier weiteren Jahren der Datenverarbeitung erwarten?

WECHSLER:Mit viermal mehr Daten wird unsere Karte der Dunklen Materie noch präziser. Ich erwarte auch Verbesserungen bei unseren Analysemethoden. Es wird auch eine Reihe anderer neuer Dinge geben, die die Dark Energy Survey entdecken sollte, einschließlich neue Zwerggalaxien um unsere Milchstraße von denen wir lange dachten, dass sie dort sein müssen, aber nicht finden konnten. Es gibt noch viel mehr, auf das Sie sich freuen können!

DODELSON:Die erhöhte Präzision, von der Risa gerade gesprochen hat, wird es uns ermöglichen, das Standardmodell der Kosmologie so hart wie nie zuvor zu treffen. Die Widerlegung des aktuellen Modells wird die Art und Weise, wie wir über das Universum denken, revolutionieren. Das ist das Aufregendste, was ich mir vorstellen kann.

TKF: Wie erweitern Astrophysiker die Jagd nach Dunkler Materie und Dunkler Energie? Risa, fangen wir mit dir an, denn du bist eng in zwei Projekte der nächsten Generation des „dunklen Universums“ involviert.

WECHSLER:Mit dem Dark Energy Spectroscopic Instrument oder DESI [ausgesprochen 'DEZ-ee'] erhalten wir sogenannte Spektren oder detaillierte Beobachtungen des Lichts von etwa 35 Millionen Galaxien und Quasaren, die besonders hell erscheinen, weil ihre zentralen schwarzen Löcher verschlingen aktiv Materie. Das sind ungefähr 10 Mal mehr Spektrendaten, als wir von allen Instrumenten gesammelt haben, also können Sie sich vorstellen, dass dies wirklich transformativ sein wird. Mit DESI werden wir in der Lage sein, die Expansionsrate des Universums und wie schnell seine Struktur aus Materie und Dunkler Materie wächst, die beide von Dunkler Energie beeinflusst werden, unabhängig zu messen. Wenn Sie dann diese Messungen vergleichen, erhalten Sie einen präzisen Test der Physik, die das Universum regiert. DESI startet 2019 mit einem Teleskop in Arizona.

Das andere große neue Instrument, an dem ich arbeite, ist das Large Synoptic Survey Telescope, LSST. Es macht Beobachtungen wie die Dark Energy Survey, aber mit wesentlich höherer Genauigkeit. Tatsächlich wird es etwa viermal mehr Fläche bedecken, und die Milliarden von Galaxien, die es sieht, werden viel tiefer und weiter entfernt sein. LSST wird ein neues Observatorium sein, das gerade in Chile gebaut wird und ungefähr 2022 beginnen soll.

DODELSON:Ich vermute, dass beide Projekte neue wissenschaftliche Fragen aufwerfen werden. Das haben wir bereits beim Dark Energy Survey gesehen. Die Fragen ändern sich im Laufe der Zeit und entwickeln sich weiter, daher bin ich mir nicht sicher, ob wir wissen, was das Spannendste ist, was wir von LSST oder DESI lernen werden. [ Die 10 größten Teleskope der Erde: Wie sie sich messen ]

ERFÜLLT:Eine meiner Hoffnungen für Planck war, dass das Standardmodell der Kosmologie zerbrechen würde und es nicht. Aber wäre es nicht absolut großartig für die Kosmologie und für die Physik, wenn dies passieren würde? Also sollten wir wegstecken und sehen. Vielleicht haben wir Glück.

TKF: Wenn Sie darauf wetten müssten, was Dunkle Materie und Dunkle Energie tatsächlich sind, wo würden Sie Ihre Chips platzieren?

DODELSON:Wir leben in einer Ära der kognitiven Dissonanz. Es gibt all diese kosmologischen Beweise für die Existenz von Dunkler Materie, aber in den letzten 30 Jahren haben wir all diese Experimente durchgeführt und sie nicht gefunden. Ich wette, wir sehen alles falsch. Jemand, der heute 8 Jahre alt ist, wird vorbeikommen und herausfinden, wie man all die Daten verstehen kann, ohne mysteriöse neue Substanzen hervorzurufen.

ERFÜLLT:Welche Chancen gibst du da ein, Scott?

DODELSON:Ich wette $2.000 von Georges Geld. [Lachen]

ERFÜLLT:Ich würde nicht auf einen bestimmten Kandidaten für die Dunkle Materie wetten. Aber ich wette, die dunkle Energie ist die kosmologische Konstante , ein von Einstein erfundener Fudge-Faktor, der die Energiedichte im Vakuum beschreibt.

WECHSLER:Ich bin im Grunde bei George. Ich denke, wenn Scott recht hat, wäre das wunderbar – aber da würde ich mein Geld definitiv nicht anlegen. [ Galerie: Dunkle Materie im ganzen Universum ]

Ich denke, es ist sehr wahrscheinlich, dass wir in 15 Jahren gerade dann messen werden, dass dunkle Energie durch diese kosmologische Konstante verursacht wird. Wir werden in der Lage sein, die Fehlerbalken zu verkleinern und feststellen, dass unser aktuelles Modell noch funktioniert.

Bei dunkler Materie ist es meiner Meinung nach viel weniger klar. Der beliebteste Kandidat war lange Zeit dieses Ding namens WIMP oder ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen. Diese Idee ist immer noch populär und durchaus möglich, aber viele der Teilchen, die diese Art von Dunkler Materie sein könnten, sind bereits ausgeschlossen. Der andere wirklich überzeugende Kandidat ist ein subatomares Teilchen namens Axion. Die Leute kommen gerade an einen Ort, an dem sie anfangen können, nach diesen Partikeln zu suchen, von denen wir glauben, dass sie extrem schwer zu entdecken sein werden. Es ist auch möglich, dass uns die Dunkle Materie überrascht, dass es sich um eine neue Art von Teilchen handelt, für die wir noch nicht die Techniken haben, nach denen wir suchen müssen.

Woraus unser Universum besteht.

Woraus unser Universum besteht.(Bildnachweis: ESA und die Planck-Kollaboration)

SIDEBAR: Ein kosmisches Rezept: In den letzten Jahrzehnten haben sich Wissenschaftler auf ein Modell eines Universums festgelegt, das größtenteils unsichtbar und unbekannt ist. Als Standardmodell der Urknall-Kosmologie bekannt, legt es fest, dass die Materie, wie wir sie kennen – bestehend aus Menschen, Planeten und Sternen – nur etwa 4 bis 5 Prozent der gesamten kosmischen Zusammensetzung ausmacht. Etwa 26 Prozent des Kosmos besteht aus dunkler Materie, von der angenommen wird, dass sie aus massiven Teilchen besteht, die kein Licht emittieren und nur schwach mit normaler Materie wechselwirken. Der Rest ist dunkle Energie, eine Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt und fast 70 Prozent der Realität ausmacht. All diese kosmischen Bestandteile gehen auf den Ursprung des Universums im Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren zurück.

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