Eine Computersimulation eines Abschnitts des Universums mit und ohne Axionen, die zeigt, dass die kosmische Netzstruktur der Dunklen Materie weniger klumpig ist, wenn sie Axionen enthält. Im Maßstab würde sich die Milchstraße innerhalb eines der kleinen grünen Punkte befinden, die Halos genannt werden. Bildnachweis: Alexander Spencer London/Alex Laguë.
Forscher schlagen in einer neuen Studie vor, dass die fehlende Klumpenbildung im Universum darauf hindeutet, dass dunkle Materie aus hypothetischen, ultraleichten Teilchen, sogenannten Axionen, besteht. Sollte sich dies bestätigen, könnte dies weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis des Universums haben und sogar die Stringtheorie stützen.
In einer am 14. Juni in der veröffentlichten Studie Zeitschrift für Kosmologie und AstroteilchenphysikForscher der Universität Toronto enthüllen einen theoretischen Durchbruch, der sowohl die Natur der unsichtbaren Dunklen Materie als auch die großräumige Struktur des Universums, das sogenannte kosmische Netz, erklären könnte. Das Ergebnis stellt eine neue Verbindung zwischen diesen beiden seit langem bestehenden Problemen der Astronomie her und eröffnet neue Möglichkeiten zum Verständnis des Kosmos.
Die Forschung legt nahe, dass das „Klumpenproblem“, bei dem es um die unerwartet gleichmäßige Verteilung von Materie auf großen Skalen im gesamten Kosmos geht, ein Zeichen dafür sein könnte, dass dunkle Materie aus hypothetischen, ultraleichten Teilchen, sogenannten Axionen, besteht. Die Auswirkungen des Nachweises der Existenz schwer nachzuweisender Axionen gehen über das Verständnis der Dunklen Materie hinaus und könnten grundlegende Fragen zur Natur des Universums selbst beantworten.
Eine Karte von Galaxien im lokalen Universum, gesehen vom Sloan Digital Sky Survey, mit der die Forscher die Axion-Theorie testeten. Jeder Punkt ist die Position einer Galaxie und die Erde befindet sich in der Mitte der Karte. Bildnachweis: Sloan Digital Sky Survey
„Wenn sich dies durch zukünftige Teleskopbeobachtungen und Laborexperimente bestätigen ließe, wäre die Entdeckung der Axion-Dunklen Materie eine der bedeutendsten Entdeckungen dieses Jahrhunderts“, sagt Hauptautor Keir Rogers, Dunlap Fellow am Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics an der Fakultät für Kunst und Kunst. Wissenschaft an der University of Toronto. „Gleichzeitig legen unsere Ergebnisse eine Erklärung dafür nahe, warum das Universum weniger klumpig ist als wir dachten, eine Beobachtung, die im letzten Jahrzehnt oder so immer klarer geworden ist und derzeit unsere Theorie des Universums im Ungewissen lässt.“
Bei der Gestaltung des Universums baut die Schwerkraft eine riesige, spinnennetzartige Struktur aus Filamenten auf, die Galaxien und Galaxienhaufen über unsichtbare Brücken von Hunderten Millionen Lichtjahren Länge miteinander verbinden. Dies ist als kosmisches Netz bekannt. Bildnachweis: Volker Springel (Max-Planck-Institut für Astrophysik) et al.
Dunkle Materie, die 85 Prozent der Masse des Universums ausmacht, ist unsichtbar, da sie nicht mit Licht interagiert. Wissenschaftler untersuchen die Auswirkungen der Schwerkraft auf sichtbare Materie, um zu verstehen, wie sie im Universum verteilt ist.
Eine führende Theorie geht davon aus, dass dunkle Materie aus Axionen besteht, die in der Quantenmechanik aufgrund ihres wellenartigen Verhaltens als „unscharf“ beschrieben werden. Im Gegensatz zu diskreten punktförmigen Teilchen können Axionen größere Wellenlängen haben als ganze Galaxien. Diese Unschärfe beeinflusst die Bildung und Verteilung der Dunklen Materie und erklärt möglicherweise, warum das Universum weniger klumpig ist als in einem Universum ohne Axionen vorhergesagt.
Eine Computersimulation eines Abschnitts des Universums mit und ohne Axionen, die zeigt, dass die kosmische Netzstruktur der Dunklen Materie weniger klumpig ist, wenn sie Axionen enthält. Im Maßstab würde sich die Milchstraße innerhalb eines der kleinen grünen Punkte befinden, die Halos genannt werden. Bildnachweis: Alexander Spencer London/Alex Laguë
Dieser Mangel an Klumpenbildung wurde bei Untersuchungen großer Galaxien beobachtet und stellt die andere vorherrschende Theorie in Frage, dass dunkle Materie nur aus schweren, schwach wechselwirkenden subatomaren Teilchen, sogenannten WIMPs, besteht. Trotz Experimenten wie dem Large Hadron Collider wurden keine Beweise für die Existenz von WIMPs gefunden.
Keir Rogers, Hauptautor der Studie und Dunlap Fellow am Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Keir Rogers
„In der Wissenschaft werden neue Entdeckungen gemacht und uralte Probleme gelöst, wenn Ideen scheitern“, sagt Rogers.
Für die Studie hat das Forschungsteam – unter der Leitung von Rogers und mit Mitgliedern der Forschungsgruppe von außerordentlicher Professorin Renée Hložek am Dunlap Institute sowie vom Institute for Advanced Study der University of Pennsylvania –[{” attribute=””>Columbia University and King’s College London — analyzed observations of relic light from the Big Bang, known as the Cosmic Microwave Background (CMB), obtained from the Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope and South Pole Telescope surveys. The researchers compared these CMB data with galaxy clustering data from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), which maps the positions of approximately a million galaxies in the nearby universe. By studying the distribution of galaxies, which mirrors the behavior of dark matter under gravitational forces, they measured fluctuations in the amount of matter throughout the universe and confirmed its reduced clumpiness compared to predictions.
The researchers then conducted computer simulations to predict the appearance of relic light and the distribution of galaxies in a universe with long dark matter waves. These calculations aligned with CMB data from the Big Bang and galaxy clustering data, supporting the notion that fuzzy axions could account for the clumpiness problem.
Future research will involve large-scale surveys to map millions of galaxies and provide precise measurements of clumpiness, including observations over the next decade with the Rubin Observatory. The researchers hope to compare their theory to direct observations of dark matter through gravitational lensing, an effect where dark matter clumpiness is measured by how much it bends the light from distant galaxies, akin to a giant magnifying glass. They also plan to investigate how galaxies expel gas into space and how this affects the dark matter distribution to further confirm their results.
Understanding the nature of dark matter is one of the most pressing fundamental questions and key to understanding the origin and future of the universe.
Presently, scientists do not have a single theory that simultaneously explains gravity and quantum mechanics — a theory of everything. The most popular theory of everything over the last few decades is string theory, which posits another level below the quantum level, where everything is made of string-like excitations of energy. According to Rogers, detecting a fuzzy axion particle could be a hint that the string theory of everything is correct.
“We have the tools now that could enable us to finally understand something experimentally about the century-old mystery of dark matter, even in the next decade or so—and that could give us hints to answers about even bigger theoretical questions,” says Rogers. “The hope is that the puzzling elements of the universe are solvable.”
Reference: “Ultra-light axions and the S8 tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering” by Keir K. Rogers, Renée Hložek, Alex Laguë, Mikhail M. Ivanov, Oliver H.E. Philcox, Giovanni Cabass, Kazuyuki Akitsu and David J.E. Marsh, 14 June 2023, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/06/023
National Aeronautics and Space Administration, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, David Dunlap family and University of Toronto, Connaught Fund.