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Florian Freistetter ist Astronom. Er promovierte am Institut für Astronomie der Universität Wien und forscht zur Zeit in Jena und Heidelberg über die Dynamik extrasolarer Planeten und die Probleme virtueller Observatorien.

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24.11.09 · 20:45 Uhr

Wie man dunkle Materie nachweist

Kategorie: Naturwissenschaften·Technik  ·  Kommentare: 19

Vorschaubild für macs_420.jpgDie dunkle Materie ist hinterhältig! Wir wissen, das sie da ist, weil wir die Gravitationskraft messen können, die sie ausübt. Aber wir können sie nicht sehen, weil sie anscheinend nicht über die elektromagnetische Kraft wechselwirkt und daher Licht weder ausstrahlt noch reflektiert.

Aber immerhin haben wir ein paar konkrete Ideen, worum es sich bei der dunklen Materie handeln könnte. Die meisten Wissenschaftler favorisieren im Moment die WIMPs. Das steht für Weakly Interacting Massive Particles und bezeichnet eine bisher unbekannte Art von Elementarteilchen.

Solche Teilchen könnten Teil der hypothetischen Supersymmetrie sein - einer Erweiterung des Standardmodells der Elementarteilchen. Am Teilchenbeschleuniger LHC des europäischen Kernforschungszentrums CERN wird unter anderem daran gearbeitet, die Supersymmetrie nachzuweisen.

Bis hier Ergebnisse vorliegen, wird es noch ein paar Jahre dauern. Aber in der Zwischenzeit können die Astronomen wichtige Hinweise auf die Natur der dunklen Materie liefern!

Die hypothetischen Teilchen der dunklen Materie haben eine interessante Eigenschaft: sie löschen sich aus, wenn sie aufeinander treffen. Beim Kontakt zweier Teilchen zerstrahlen sie sofort und es entstehen neue Partikel - darunter auch ganz normale Elektronen und Positronen und hochenergetische Photonen; sogenannte Gammastrahlung - und das kann man - im Gegensatz zur dunklen Materie - beobachten.

Der WMAP-Nebel

WMAP ist eine Raumsonde, die die kosmische Hintergrundstrahlung beobachten soll. Das hat sie auch sehr erfolgreich getan. Die Hintergrundstrahlung ist ein Überbleibsel aus der Frühzeit des Universums und quasi das letzte sichtbare Zeichen des Urknalls.

WMAP hat die Unregelmäßigkeiten in dieser Strahlung gemessen und dabei den Himmel sehr genau beobachtet; in verschiedenen Frequenzen. Natürlich ist im Universum sehr viel mehr Strahlung zu sehen als nur die Hintergrundstrahlung. Die "Vordergrund"strahlung muss man daher abziehen. Es gab aber auch Wissenschaftler, die sich speziell mit dieser eigentlich unerwünschten Vordergrundstrahlung beschäftigt haben.

Eine Arbeit von Douglas Finkbeiner aus dem Jahr 2007 kam dabei zu einem interessanten Ergebnis: wenn man all die Strahlung aus den Daten entfernt, deren Quelle bekannt ist und dann noch die zu helle Strahlung der Milchstrasse abzieht, erhält man dieses Bild:

wmap-haze.jpg

Bild: Finkbeiner 2007

Das Bild ist nicht völlig dunkel sondern in der Mitte sieht man - in weiß - etwas überschüssige Strahlung.Man hat sie "WMAP Haze" also - "WMAP-Schleier" oder "WMAP-Nebel" genannt und ihre Herkunft ist unbekannt.

Aber vielleicht stammt sie von der dunklen Materie? Wenn dunkle Teilchen sich selbst annihilieren enstehen Elektronen und Positronen. Diese bewegen sich dann im Magnetfeld der Galaxie und erzeugen dabei Synchrotronstrahlung. Und die sieht man im Bild oben.

Fermi beginnt zu messen

2008 wurde ein neues Teleskop in den Weltraum gebracht: das Fermi Gamma-ray Space Telescope. Wie sein Name schon sagt, soll es die hochenergetische Gammastrahlung beobachten. Die Wissenschaftler warteten schon gespannt auf die ersten Ergebnisse denn Messungen anderer Satelliten und Detektoren hatten weitere - wenn auch nicht allzu deutliche - Hinweise auf die dunkle Materie gebracht.

So hat zum Beispiel der Satellit PAMELA einen Überschuß an hochenergetischen Positronen gefunden. Die Daten von PAMELA waren zwar nicht eindeutig und mittlerweile kann man sie auch ohne die Existenz der dunklen Materie erklären - aber damals waren alle gespannt ob die Messungen von Fermi PAMELAs Daten bestätigen würden.

So sahen die ersten Ergebnisse aus:

medium_e2.png

Bild: Abdo et al. 2009

Man sieht hier auf der x-Achse die Energie der Teilchen und auf der y-Achse wieviel man davon gemessen hat. Die blaue Linie zeigt was zu erwarten wäre, wenn es keine zusätzlichen hochenergetischen Teilchen gibt, die bei den Kollisionen der dunklen Materie entstehen. In rot sind die Fermi-Messungen eingezeichnet - und man erkennt einen deutlichen Überschuß!

Auch hier hat sich die erste Aufregung mittlerweile gelegt. So wie bei PAMELA können auch diese Fermi-Daten mittlerweile auch ohne dunkle Materie erklärt werden. Aber Fermi hat weitergemessen.


Der Fermi-Nebel

Fermi hatte nun Zeit, die Gammastrahlung genau zu messen. Wenn man die "alten" WMAP-Daten aus dem Vorjahr und besonders den "WMAP-Nebel" nochmal betrachtet, und tatsächlich davon ausgeht, dass die überschüßige Strahlung von der Selbstannihilation der dunklen Materie stammt, dann müsste es im gleichen Bereich auch überschüssige Gammastrahlung geben. Denn es entstehen ja bei den Kollisionen zwischen den Partikeln der dunklen Materie nicht nur Elektronen und Positronen (die dann für den WMAP-Nebel verantwortlich wären) sondern eben auch Gammastrahlen.

Gemessen hat Fermi folgendes:

fermi-haze.jpg

Bild: Dobler et al. 2009

Auch hier findet man einen Überschuß an Gammastrahlung und zwar genau dort, wo man sie vom WMAP-Nebel her erwarten würde!

Das ist ein äußerst spannendes Ergebnis! Es bedeutet allerdings nicht, dass die dunkle Materie damit nun zweifelsfrei nachgewiesen wäre - das behaupten nichtmal die Autoren der entsprechenden Arbeit. Um hier sicher zu sein, müssen wir wohl tatsächlich die WIMPs in Teilchenbeschleunigern nachweisen (das könnte der LHC allerdings schaffen).

Aber diese Messungen stimmen zumindest optimistisch. Wir scheinen bei der Suche nach der dunklen Materie auf dem richtigen Weg zu sein!

 

Autor: Florian Freistetter· 19 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

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Trackbacks (2)

Hat man endlich die dunkle Materie nachgewiesen? · Astrodicticum Simplex · 18.12.09 · 00:21 Uhr

Lässt dunkle Materie die Erdbahn wachsen? · Astrodicticum Simplex · 14.01.10 · 21:13 Uhr


Kommentare (19)

Kommentar-Direktlink Daniel Fischer· 24.11.09 · 21:02 Uhr

Die neue Fermi-DM-Arbeit ist von Goodenough & Hooper und sorgt auch deswegen für Wirbel, weil diese Autoren gar nicht zum Fermi-Team gehörten; hier ("Auf der Jagd ...") gibt's ein paar Sekundärquellen dazu.

Kommentar-Direktlink Markus Termin· 24.11.09 · 23:30 Uhr

Oh, Vorsicht: Dunkle Materie ist hinterhältig. Hoffentlich bekommen wir da nicht 2012 Probleme? She does not exist at all, satt nun einfach das Weltbild notwendigerweise zu korrigieren, wird die Dunkle Materie erfunden. Der Kaiser ist nackt.

Kommentar-Direktlink Pete· 24.11.09 · 23:37 Uhr

Sehr offtopic, aber ich wusste nicht, wie ich es sonst an Florian bringen kann:

http://www.astronews.com/news/artikel/2009/11/0911-002.shtml

Wenn sich das bestaetigen sollte, war die Aufregung um den 21.12.2012 wohl etwas umsonst ;-)

@Florian, wenn du das ueberprueft und in bekannt gekonnter Weise "verwurstet" hast, loesche diesen Beitrag ruhig.

Pete

Kommentar-Direktlink Aragorn· 24.11.09 · 23:42 Uhr

@Markus Termin
She does not exist at all, satt nun einfach das Weltbild notwendigerweise zu korrigieren, wird die Dunkle Materie erfunden.

> Dunkle Materie wurde schon vor ein paar hundert Jahren erfunden. Danach war man sehr erfolgreich und hat einen neuen Planeten gefunden. Den Astrologen ist sowas nie gelungen. Aber das ist ja auch nicht der Anspruch der Astrologie, der ja lautet: Warum Dummheit nicht zu Geld machen?

Kommentar-Direktlink H.M.Voynich· 24.11.09 · 23:56 Uhr

"She"?

Kommentar-Direktlink Bundesratte· 25.11.09 · 00:18 Uhr

@H.M.Voynich: Hehe, of course "she". Otherwise it would be "paterie", wouldn't it? Mr Tretmine ist nunmal taking it genderly, languagily and grammatically seriouslyly. Allein schon because of his mostly ladyly zielgroup. She (the zielgroup) simply would'nt let him just get away with a freaking neutrum.

Author Profile Page Florian Freistetter· 25.11.09 · 00:33 Uhr

@Markus: "She does not exist at all, satt nun einfach das Weltbild notwendigerweise zu korrigieren, wird die Dunkle Materie erfunden."

Müssen wir das Spiel jedes Mal spielen wenn ich irgendwo dunkle Materie erwähne. Ich hab dich ja schon mal gefragt aber du hast nicht genantwortet: wie kommst du auf die Idee, jemand hätte etwas "erfunden"? Es gibt Beobachtungsdaten. Soll man die einfach ignorieren?

Ich frag mich ja immer, was manche Leute von den Wissenschaftlern erwarten. Wenn man nicht an ihren nicht nachweisbaren Lieblingsunsinn glauben will, wie z.B. "Orgon" oder sowas, dann ist man dogmatisch, nicht offen für neues, etc. Und wenn die Wissenschaftler, wie sie eben so sind, dann "offen für neues" sind und die Konsequenz aus Beobachtungsdaten ziehen, die eben die Existenz einer Form der Materie die nicht sichtbar ist, nahelegen - dann passts erst wieder nicht ;) Wahrscheinlich liegst an den Beobachtungsdaten. Um Esoteriker zu beeindrucken muss man wohl an irgendwas glauben, dass nicht belegt werden kann, ansonsten finden sies langweilig ;)

Kommentar-Direktlink Daniel Fischer· 25.11.09 · 04:40 Uhr

Na ja, "erfunden" wurde die Dunkle Materie wirklich, sogar mehrfach (Zwicky, Rubin, CDM), um bestimmte Beobachtungen zu erklären - genau so, wie einst das Neutrino "erfunden" wurde. Nur hat man das nach ein paar Jahrzehnten im Labor tatsächlich nachgewiesen, und alle waren zufrieden. (Weil es damals noch keine Blogs mit Kommentarfunktion gab. :-)

Eine Minderheit von Astrophysikern glaubt inzwischen, es sei besser, an der Gravitation zu drehen als DM zu postulieren - letztens taucht sie schon mal in Pressemitteilungen oder gar einem großen Review in Science auf. Hier gibt's eine knappe Zusammenfassung und jede Menge Links zu diesen Versuchen.

Kommentar-Direktlink GeMa· 25.11.09 · 05:39 Uhr

Paterie. I`ll break together :-D

Kommentar-Direktlink Bullet· 25.11.09 · 07:55 Uhr

*wuaaah*
DER Paterie ist nicht gleichmäßig im Universum verteilt. Der Einstieg in dieseN Paterie aber ist nicht leicht, dieweil es eine Unmenge an Hintergrund zu erlernen gilt.

I throw myself away.

Eine Fachfrage hab ich aber noch: wenn Teilchen des Dunklen Pateries (^^) sich bei Kontakt annihilieren, wieso gibt es dann noch welche? Nach über 13 Mrd. Jahren sollte dieses Reservoir doch langsam mal leergelaufen sein, oder?

Kommentar-Direktlink Florian Mayer· 25.11.09 · 08:24 Uhr

@"Die hypothetischen Teilchen der dunklen Materie haben eine interessante Eigenschaft: sie löschen sich aus, wenn sie aufeinander treffen."

Woher weiss man das?

Kommentar-Direktlink Christian W· 25.11.09 · 10:22 Uhr

Auch wenn von vornherein feststeht, dass Markus Termin das nicht lesen oder zwar lesen, aber nicht hinnehmen wird:

Er setzt einfach Erfundes mit erfundenen, nicht nachweisbaren Eigenschaften (wie bspw. den astrologischen Einfluss von willkürlich ausgesuchten Himmelskörpern auf Menschen) gleich mit einem erfundenen Konzept, das reale, nachweisbare Eigenschaften verkörpert. Das ist in etwa so als würde man Hexenbeschwörungen mit einem beliebigen Schöpfungsmythos vergleichen - "Hexen" können beschwören bis sie schwarz werden, das ändert nichts daran, dass es keine Zauberei gibt, nie gab und der ganze Nonsens nicht funktioniert; Schöpfungsmythen dagegen sind zwar auch eher nicht ganz richtig, das Leben, das Universum und alles sind aber trotzdem da und bleiben immer gleich, egal wie man es nennt und seine Entstehung erklärt. Und wenn man merkt, dass an der aktuellen Entstehungsgeschichte und Welterklärung irgendwas nicht stimmt, kann man diesen Fehler korrigieren - weil es sich nunmal um die Realität handelt, die man beschreibt, ohne alle Antworten im Voraus schon zu kennen.

Genauso ist es auch mit der Dunklen Materie: Irgendwas ist da, muss da sein, weil man seine Eigenschaften und durch es induzierte Phänomene real feststellen kann. Und dieses astronomische Teekesselchen muss irgendwie genannt werden, auch und gerade, wenn man nicht weiß was es ist und wie, warum, wann und überhaupt. Man hätte es genausogut All-Teekesselchen, heiliger Gral, Singh V. Donutnow oder Astrologie-Beweis anstatt Dunkle Materie nennen können, es wäre trotzdem noch genauso da und hätte dieselben Eigenschaften wie jetzt.
Dunkle Materie ist ein erfundenes Konzept, Mr. Englishman würde es treffender "educated guess" nennen, denn der Begriff und das Modell ist ja nicht vollkommen frei assoziiert aus den Köpfen geboren, aber das ändert überhaupt nichts an der Existenz dessen, was es (noch mehr schlecht als recht) beschreibt. Und das ist etwas, was Astrologie und der ganze andere Esoterik-Gedöns nicht vorweisen kann.

Author Profile Page Florian Freistetter· 25.11.09 · 11:15 Uhr

@Daniel Fischer: Ok, aber dann kommt es darauf an, was man unter "erfunden" versteht. Wie du selbst schreibst, waren da immer Beobachtungsdaten die man erklären musste. Aber Markus tut ja so, als hätte die Astronomen die dunkle Materie irgendwie aus dem Nichts heraus postuliert...

Bei der Sache mit MOND bin ich auch skeptisch. Ich bin da nicht auf dem laufenden - aber ich dachte man wüsste mittlerweile, dass selbst MOND nicht ohne dunkle Materie auskommt... Muss ich mir wohl alles nochmal anschauen.

@Florian Mayer: "Woher weiss man das?"

Naja "wissen" tut man es nur bedingt. Aber wenn das Modell der WIMPs zutrifft, dann muss eben ein Teilchen, dass alle Eigenschaften der dunklen Materie hat auch diese Eigenschaft der Selbstannihilation haben. Wie man das genau ableitet kann ich dir nicht sagen - das muss ein Teilchenphysiker erklären.

Kommentar-Direktlink eD· 26.11.09 · 19:35 Uhr

zum thema "ungeklärte" gammastrahlenquelle:
http://www.astronews.com/news/artikel/2009/07/0907-040.shtml

andere interessante nachrichten zum thema:
http://www.weltderphysik.de/de/4245.php?ni=1595
(ähnliches ist auch auf der astronews seite zu finden)
und was für die ohren:
http://www.weltderphysik.de/intern/upload/podcast/WeltDerPhysik034.mp3

wetten dass die dunkle materie ähnliche karriere macht wie der äther? ;)

Author Profile Page Florian Freistetter· 26.11.09 · 19:57 Uhr

@eD: Es hat ja auch niemand behauptet, dass die Fermi-Ergebnisse zwingend auf dunkle Materie zurückzuführen sind. Das ist nur eine Möglichkeit.

Und der Vergleich zwischen Äther und dunkler Materie hinkt auch ein wenig. Beim Äther gab es keine Beobachtungsdaten; den hat man einfach deswegen postuliert, weil man über Elektromagentismus zu wenig wusste. Die Beobachtungsdaten haben immer gegen den Äther gesprochen. Bei der dunklen Materie ist es anders. Wenns die entsprechenden Beobachtungsdaten nicht gäbe, wäre keiner auf die Idee gekommen, das Zeugs einzuführen ;)

Kommentar-Direktlink eD· 26.11.09 · 21:02 Uhr

...und eine andere möglichkeit ist eben das sich positronen doch weiter ausbreiten können als bisher gedacht.
was sich nun als richtig herausstellt wird die zeit zeigen.

der vergleich passt schon so. der äther war postuliert weil ja eine welle ein medium benötigt und man das licht als welle ansah. dabei durfte es eben auch kaum wechselwirkung mit planeten => materie geben (abbremsung der umlaufgeschwindigkeiten). das eine elektro-magn. welle kein medium benötigt wissen wir nun seit grob einem jahrhundert. ich hoffe doch das sich hier niemand so weit aus´m fenster lehnen möchte und die gravitation als völlig "entschlüsselt" erklärt ;)

ich bin auf jeden fall seeehr gespannt wie sich das entwickelt. es wäre klasse wenn man eine gravitationslinse entdecken würde ohne jedliche "sichtbare" masse die sie hervorruft, auch kein schwarzes loch.

grüße

p.s.: preisfrage: was passiert wenn DM in schwarze löcher "hineinfällt", bzw. kann sie das überhaupt?
gibt es da veröffentlichungen dazu?

Author Profile Page Florian Freistetter· 26.11.09 · 22:04 Uhr

@eD: "...und eine andere möglichkeit ist eben das sich positronen doch weiter ausbreiten können als bisher gedacht."

Was soll das genau heissen?

"ich bin auf jeden fall seeehr gespannt wie sich das entwickelt. es wäre klasse wenn man eine gravitationslinse entdecken würde ohne jedliche "sichtbare" masse die sie hervorruft, auch kein schwarzes loch."

ich weiß nicht, was du genau meinst. Aber solche Untersuchungen hat man beim Bullet-Cluster gemacht. (http://de.wikipedia.org/wiki/1E_0657-558)

"preisfrage: was passiert wenn DM in schwarze löcher "hineinfällt", bzw. kann sie das überhaupt? "

DM wechselwirkt gravitativ; also wird so von schwarzen Löchern genauso angezogen wie normale Materie. Und wenn sie reinfällt, ist sie drin. Was soll da groß passieren?

Kommentar-Direktlink Is la nd gu y· 27.11.09 · 12:22 Uhr

Titel des Beitrags:

Wie man dunkle Materie nachweist

Klingt sehr forensisch und überzeugend, so ähnlich wie: "wie man Zucker im Kaffee nachweist" - Kann kein großes Problem sein.

Im Text:

Aber immerhin haben wir ein paar konkrete Ideen, worum es sich bei der dunklen Materie handeln könnte. Die meisten Wissenschaftler favorisieren im Moment die WIMPs. Das steht für Weakly Interacting Massive Particles und bezeichnet eine bisher unbekannte Art von Elementarteilchen.

Ach so, "ein paar konkrete Ideen" und "bisher unbekannte Art von Elementarteilchen". Klingt schon nicht mehr so überzeugend. Eher wie ein Ratespiel.

Kommentar des Autors im Weiteren:

Es hat ja auch niemand behauptet, dass die Fermi-Ergebnisse zwingend auf dunkle Materie zurückzuführen sind. Das ist nur eine Möglichkeit.

Oh! Es gibt also bekannte Prozesse, die Gammastrahlung erzeugen. Ich hätte fast gedacht in der Wissenschaft, würde man erstmal die bekannten Optionen ausschöpfen, bevor man "unbekannte Arten von Elementarteilchen" erfindet. Wer schreibt hier eigentlich so häufig über "Ockhams-Razor"?

Wer eine zweite Meinung einholen möchte, liest z.B. hier:
http://www.holoscience.com/news.php?article=a57ya4dj

Kommentar-Direktlink eD· 27.11.09 · 23:01 Uhr

hallo Florian,

"Und wenn sie reinfällt, ist sie drin. Was soll da groß passieren?"
ja gut, wenn baryonische materia in schwarzes loch kommt wird es ja teilweise zerstrahlt, zumindest wird es so stark beschleunigt dass es hochenergetische strahlung emmitiert.
das können wir ja beobachten.
ist bei der dm "nur" gravitationswellen zu erwarten oder doch mehr? es sollte doch auch vermehrt gammastrahlung messbar sein aufgrund der annihilation der dm (wenn jetzt aus einem größeren bereich teilchen in einen kleinen "gepresst" werden, ist die wahrscheinlichkeit eines zusammenstoßes zwischen den teilchen größer), d´accord?

ach, danke für den link! soetwas habe ich auch gesucht :)

"So wie bei PAMELA können auch diese Fermi-Daten mittlerweile auch ohne dunkle Materie erklärt werden. Aber Fermi hat weitergemessen."
sorry,habe ich wohl überlesen ;(
damit erübrigt sich mein erster satz im vorherigen kommentar.

grüße


sorry,habs wohl überlesen ;(

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