Bei der Berechnung des Massen- und Energiegehaltes des Universums wird deutlich, dass eine große Menge andere Materie, die sich von der gewöhnlichen (baryonischen) Materie unterscheidet, benötigt wird, um mit den üblichen kosmologischen Modellen übereinzustimmen. Baryonische Materie besteht aus so genannten Baryonen, zu denen vor allem Protonen und Nuetronen gehören. Neben der baryonischen Materie werden zwei weitere Komponenten benötigt, damit die Beobachtungen den Theorien enstsprechen: dunkle Materie und dunkle Energie.
Während die gewönliche Materie nur 5% des Universums ausmacht, macht die dunkle Materie etwa 27% und die dunkle Energie etwa 68% des Massen- und Energiegehaltes des Universums aus.
Dunkle Materie (DM) ist eine hypothetische Materie, die sich von gewöhnlicher (baryonischer) Materie unterscheidet. Der Begriff "dunkel" bezieht sich auf die Tatsache, dass die dunkle Materie außer der Gravitationswechselwirkung keine bekannte Wechselwirkung hat und somit im elektromagnetischen Spektrum unsichtbar bleibt.
Die folgenden indirekten Beweise für die Existenz dunkler Materie wurden gefunden:
Diese Beobachtungen erfordern unweigerlich die Modifikation der bekannten Physik. Es gibt zwei Möglichkeiten der Modifikation:
Die Modifikation der Gravitationstheorie steht jedoch vor bestimmten Problemen hinsichtlich der Erklärung der CMB Fluktuationen und der Beobachtung der sichtbaren und dunklen Materie in entfernten astrophysikalischen Objekten, wie dem Bullet Cluster von Galaxien (siehe Bild unten).
Wenn die Modifikation der Gravitationstheorie ausgeschlossen ist, ist die natürliche Erklärung für die dunkle Materie, dass es ein Teilchen gibt, welches nicht im Standardmodell der Elementarteilchen enthalten ist, das sehr schwach ist oder nicht mit anderen Teilchen des Standardmodells interagiert. Interessanterweise können aus der Vielzahl der möglichen Ergänzungen zum Standardmodell mit Kandidatenpartikeln der dunklen Materie nur 3 Ergänzungen auch andere offene Fragen der modernen Physik und Astrophysik lösen - Axionen, sterile Neutrinos und WIMPs, welche alle im Folgenden erläutert werden.
Die Astrophysik kann uns keine Möglichkeit bieten, die Parameter (z.B. Masse) von DM-Partikeln direkt zu messen. Die einzige Möglichkeit besteht darin, diese Parameter indirekt aus Beobachtungen abzuleiten, die mit anderen astrophysikalischen Erklärungen nicht zu vereinbaren sind.
Wenn es ein DM-Teilchen gibt, ist der einfachste Weg es zu erkennen die Beobachtung seines Zerfalls oder seiner Vernichtung zu Photonen. Dies sollte ein entsprechendes Merkmal in den elektromagnetischen Spektren von DM-dominierten Objekten hinterlassen.
Allerdings können DM-Profile große Unsicherheiten aufweisen, insbesondere in der Nähe des Zentrums von DM-dominierten Objekten, von denen natürlich der größte Teil des DM-Signals erwartet wird. Darüber hinaus können DM-Zerfalls-/Annihilisierungs-Spektralmerkmale leicht mit normalen astrophysikalischen Linien/Features oder instrumentellen Artefakten verwechselt werden. Außerdem ist das erwartete Merkmal in der Regel schwach und erfordert die Analyse großer Datenmengen. Allerdings kann ein erkanntes schwaches Merkmal in einem großen Datensatz auch durch die verwendeten Instrumente und Geräte verursacht werden und somit auf einen systematischen Fehler und nicht auf ein tatsächliches Merkmal zurückzuführen sein.
Am IAAT wird die indirekte DM-Suche nach drei der aussichtsreichsten Kandidaten für DM durchgeführt: Axionen, sterile Neutrinos und WIMPs. Die Grundidee besteht darin, eine elektromagnetische Signatur für einen der Kandidaten zu finden, indem man verschiedene Arten von astrophysikalischen Objekten analysiert und numerische Studien durchführt.
Axionen:
Axionen sind hypothetische Teilchen, die zunächst postuliert wurden, um die Existenz bestimmter Symmetrien der starken Kernkraft zu erklären. Interessanterweise sind sie aufgrund ihrer sehr geringen Masse und sehr schwachen Wechselwirkung auch gute Kandidaten für DM. Einige Theorien sagen voraus, dass sie durch zwei Photonenzerfälle und durch die Umwandlung in Photonen in einem Magnetfeld (Primakoff-Effekt) nachweisbar sein sollte, siehe Bild unten.
In der Astrophysik konnten Axionen z.B. durch Merkmale in Pulsar- oder Magnetarspektren und/oder zusätzliche Polarisation von Spektren dieser Quellen nachgewiesen werden. Forscher am IAAT untersuchen das Vorkommen solcher Merkmale in verschiedenen astrophysikalischen Quellen.
Sterile Neutrinos:
Alle Teilchen im Standardmodell der Elementarteilchen mit Ausnahme des Neutrinos können eine positive ("rechtshändige") und negative ("linkshändige") Projektion ihres Spin auf ihren Impuls haben. Standard-Neutrinos können nur linkshändig sein. Einige Theorien schlagen jedoch vor, den Neutrinos rechtshändige "sterile" Begleiter hinzuzufügen, die dank ihrer sehr geringen Masse auch gute Kandidaten für DM sein könnten. Darüber hinaus hilft die Theorie der sterilen Neutrinos, andere Probleme des Standardmodells zu lösen, die sie zu einer sehr eleganten Lösung für beide Bereiche machen. Zerfälle von sterilen Neutrinos liefern eine beobachtbare Signatur, die in Röntgenspektren nachgewiesen werden konnte.
Am IAAT werden Langzeitbeobachtungen durchgeführt, um die Photonenzerfallseigenschaften von sterilen Neutrinos in einem breiten (keV-MeV) Energiebereich in einer Vielzahl von astrophysikalischen Objekten (von sphärischen Zwerggalaxien bis zu Galaxienhaufen) mit Daten aus allen modernen Röntgenmissionen (XMM-Newton, Chandra, NuStar, INTEGRAL) zu finden.
Zusätzliche Anstrengungen wurden unternommen, um die Natur einer ungeklärten 3,55 keV-Linie in Spektren von Galaxienhaufen zu untersuchen. Es wurde angenommen, dass diese Linie möglicherweise DM-zerfallenden Ursprungs ist. IAAT-Forscher führten Langzeitbeobachtungen an anderen DM-dominierten Objekten (z.B. Zwergsphärogalaxien) durch und fanden keine Beweise für das Vorliegen einer solchen Linie, was den DM-Zerfallsursprung von 3,55 keV zweifelhaft macht.
Die Wissenschaftler untersuchen auch mögliche zukünftige europäische Missionen, um die DM-Zerfallslinie aufzuspüren.
Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs):
Ein weiterer beliebter Kandidat für DM-Partikel sind schwach interagierende massive Partikel, so genannte WIMPs. Diese hypothetischen Teilchen werden auch als Lösung für Probleme im Standardmodell durch die Theorie der Supersymmetrie vorgeschlagen. Sie sind natürliche Kandidaten für DM und Supersymmetrie und sollen mit ihren Antiteilchen im GeV- bis TeV-Bereich ein elektromagnetisches Signal aus der Vernichtung erzeugen.
Am IAAT analysieren Forscher systematisch Gammastrahlen-FERMI/LAT-Spektren von Galaxienhaufen, den galaktischen Zentrumsbereichen und dem diffusen Hintergrund, um einen möglichen Hinweis auf ein WIMP-Annihilationsspektralmerkmal in diesen Daten zu finden.
Auf unserer Webseite werden Cookies verwendet. Einige davon werden zwingend benötigt, während es uns andere ermöglichen, Ihre Nutzererfahrung auf unserer Webseite zu verbessern. Ihre getroffenen Einstellungen können jederzeit bearbeitet werden.
oder
Essentiell
in2cookiemodal-selection
Erforderlich, um die Benutzerauswahl der Cookie-Einstellungen zu speichern.
3 Monate
be_lastLoginProvider
Benötigt, damit TYPO3 beim Backend-Login den Zeitpunkt des letzten Logins feststellen kann.
3 Monate
be_typo_user
Dieses Cookie teilt der Webseite mit, ob ein Besucher oder eine Besucherin zugleich im TYPO3-Backend angemeldet ist und die Rechte besitzt, die Webseite zu verwalten.
Sitzungsende
ROUTEID
Diese Cookies werden gesetzt, um den Benutzer oder die Benutzerin immer zum gleichen Server zu leiten.
Sitzungsende
fe_typo_user
Ermöglicht Frontend-Login.
Sitzungsende
Videos
iframeswitch
Wird verwendet, um eingebettete externe Inhalte Dritter anzuzeigen.
3 Monate
yt-player-bandaid-host
Wird verwendet, um YouTube-Videos anzuzeigen.
Beständig
yt-player-bandwidth
Wird verwendet, um die optimale Videoqualität basierend auf den Geräte- und Netzwerkeinstellungen des Besuchers oder der Besucherin zu bestimmen.
Beständig
yt-remote-connected-devices
Speichert die Einstellungen des Videoplayers des Benutzers oder der Benutzerin unter Verwendung von eingebettetem YouTube-Video.
Beständig
yt-remote-device-id
Speichert die Einstellungen des Videoplayers des Benutzers oder der Benutzerin unter Verwendung von eingebettetem YouTube-Video.
Beständig
yt-player-headers-readable
Sammelt Daten über die Interaktion der Besucher mit den Videoinhalten der Website - Diese Daten werden verwendet, um die Relevanz der Videoinhalte der Website für den Besucher zu erhöhen.
Beständig
yt-player-volume
Wird verwendet, um die bevorzugte Lautstärke der YouTube-Videos zu speichern.
Beständig
yt-player-quality
Wird verwendet, um die bevorzugte YouTube Wiedergabequalität zu speichern.
Beständig
yt-remote-session-name
Speichert die Einstellungen des Videoplayers des Benutzers oder der Benutzerin unter Verwendung von eingebettetem YouTube-Video.
Sitzungsende
yt-remote-session-app
Speichert die Einstellungen des Videoplayers des Benutzers oder der Benutzerin unter Verwendung von eingebettetem YouTube-Video.
Sitzungsende
yt-remote-fast-check-period
Speichert die Einstellungen des Videoplayers des Benutzers oder der Benutzerin unter Verwendung von eingebettetem YouTube-Video.
Sitzungsende
yt-remote-cast-installed
Speichert die Benutzereinstellungen beim Abruf eines auf anderen Webseiten integrierten YouTube-Videos.
Sitzungsende
yt-remote-cast-available
Speichert die Benutzereinstellungen beim Abruf von integrierten YouTube-Videos.
Sitzungsende
ANID
Wird für Targetingzwecke verwendet, um ein Profil der Interessen der Website-Besucher zu erstellen, um relevante und personalisierte Google-Werbung anzuzeigen.
2 Jahre
SNID
Google Maps - Google verwendet diese Cookies, um Benutzereinstellungen und Informationen zu speichern, wenn Sie Seiten mit Google Maps aufrufen.
1 Monat
SSID
Wird verwendet, um Informationen darüber zu speichern, wie Sie die Website nutzen und welche Werbung Sie vor dem Besuch dieser Website gesehen haben, und um die Werbung auf Google-Ressourcen anzupassen, indem Sie sich an Ihre letzten Suchanfragen, Ihre früheren Interaktionen mit Anzeigen oder Suchergebnissen eines Werbetreibenden und Ihre Besuche auf einer Website eines Werbetreibenden erinnern.
6 Monate
1P_JAR
Dieses Cookie wird verwendet, um die Werbedienste von Google zu unterstützen
1 Monat
SAPISID
Wird für Targetingzwecke verwendet, um ein Profil der Interessen der Website-Besucher zu erstellen, um relevante und personalisierte Google-Werbung anzuzeigen.
6 Monate
APISID
Wird für Targetingzwecke verwendet, um ein Profil der Interessen der Website-Besucher zu erstellen, um relevante und personalisierte Google-Werbung anzuzeigen.
6 Monate
HSID
Beinhaltet verschlüsselte Einträge Ihres Google Accounts und der letzten Login-Zeit um vor Attacken und Datendiebstahl aus Formulareinträgen zu schützen.
2 Jahre
SID
Wird zu Sicherheitszwecken verwendet, um digital signierte und verschlüsselte Aufzeichnungen der Google-Konto-ID eines Nutzers und der letzten Anmeldezeit zu speichern, die es Google ermöglichen, Nutzer zu authentifizieren, eine betrügerische Verwendung von Anmeldeinformationen zu verhindern und Benutzerdaten vor Unbefugten zu schützen. Dies kann auch für Targetingzwecke genutzt werden, um relevante und personalisierte Werbeinhalte anzuzeigen.
6 Monate
SIDCC
Dieses Cookie speichert Informationen über Nutzereinstellungen und -informationen für Google Maps.
3 Monate
NID
Das NID-Cookie enthält eine eindeutige ID, die Google verwendet, um Ihre Einstellungen und andere Informationen zu speichern.
6 Monate
CONSENT
Dieses Cookie verfolgt, wie Sie eine Website nutzen, um Ihnen Werbung zu zeigen, die für Sie interessant sein könnte.
18 Jahre
__Secure-3PAPISID
Dieses Cookie wird verwendet, um die Werbedienste von Google zu unterstützen
2 Jahre
__Secure-3PSID
Dieses Cookie wird verwendet, um die Werbedienste von Google zu unterstützen
2 Jahre
__Secure-3PSIDCC
Dieses Cookie wird verwendet, um die Werbedienste von Google zu unterstützen.
6 Monate