Eine Mission zu Uranus und Neptun ist unsere beste Hoffnung, dunkle Materie zu finden

Dunkle Materie ist seltsames, mysteriöses Zeug. Es könnte bis zu 85 Prozent der Masse des Universums ausmachen, und seine Schwerkraft wirkt sich auf alles um es herum aus. Aber wir können es nicht mit unseren bloßen Augen sehen. Wir haben es mit keinem unserer Instrumente direkt beobachtet, weder auf der Erde noch beim Zoomen mit einer Sonde durch den Weltraum.

Jetzt hat ein Schweizer Team einen faszinierenden Plan ausgearbeitet – ein möglicher Weg, um dunkle Materie viel genauer zu lesen. Es geht darum, Sonden auf die entferntesten Planeten unseres Sonnensystems, Uranus und Neptun, zu schießen und jede Kraft, die an ihren Flugbahnen zerrt, sorgfältig zu protokollieren. Subtrahieren wir die bekannt Kräfte – die Anziehungskraft jedes nahegelegenen Planeten, Mondes und Asteroiden –, was übrig bleibt, sollte die Wirkung der Dunklen Materie sein.

Es sei eine «einzigartige Gelegenheit», «die Messungen der Standard-Gravitationsparameter im Sonnensystem zu verbessern», schreiben Lorenz Zwick und sein Team vom Zentrum für Theoretische Astrophysik und Kosmologie der Universität Zürich eine neue Peer-Review-Studie das am 22. April online erschien.

Der Schweizer Plan sieht auf dem Papier großartig aus. In der Praxis ist es jedoch möglicherweise nicht möglich, die Kraft der Dunklen Materie, die auf eine Sonde wirkt, beispielsweise von der Kraft eines nicht kartierten Asteroiden zu trennen – oder sogar von einem losen Anschluss in der Sonde, der Strahlung in den Weltraum abgibt. Mit anderen Worten, wir wissen vielleicht nicht genug über die Materie, die wir haben kann sehen, um zu beginnen, Dinge über die Materie wir zu folgern kippen sehen.

Die gängige Theorie besagt, dass dunkle Materie nicht so mit elektromagnetischen Feldern interagiert wie sichtbare Materie. Es absorbiert weder Licht noch reflektiert es. Aber wir sind ziemlich sicher, dass es da ist. Ohne sie ergibt das Universum keinen Sinn. Planeten und Sternensysteme und ganze Galaxien verhalten sich, als ob sie fast das Doppelte wiegen, wie ihre sichtbare Masse zu implizieren scheint. Es gibt viel mehr Gravitationskraft, als wir erklären können, indem wir einfach die Masse von Objekten im Weltraum addieren.

Die Kluft zwischen dem, was wir sehen können, und dem, was wir für vorhanden halten, wurde erstmals im frühen 20. Jahrhundert deutlich. Der Abstand wurde größer, je besser unsere Instrumente wurden. In den späten 1960er Jahren setzte Seth Shostak, ein Astronom, der heute vor allem für seine Arbeit an SETI berühmt ist –die Suche nach außerirdischer Intelligenz– benutzten ein Radioteleskop-Array in Kalifornien, um festzustellen, dass sich einige Galaxien schneller drehten, als ihre sichtbaren Sterne vermuten ließen. Shostak vermutete später, dass die Galaxien Masse hatten, die wir nicht direkt beobachten konnten.

Heutzutage ist dunkle Materie ein wesentlicher Bestandteil der Astronomie. Aber das bedeutet nicht, dass wir es sehr gut verstehen. Zum einen wissen wir nicht, wie gleichmäßig es verteilt ist. Es ist möglich, dass dunkle Materie innerhalb eines Sternensystems dichter ist als in den riesigen Entfernungen zwischen Systemen. Es ist auch möglich, dass dunkle Materie Konturen hat Innerhalb ein Sternensystem.

Zwicks genaue Untersuchung unseres eigenen Systems könnte uns helfen, diese Frage zu beantworten, mit möglichen Folgewirkungen auf die Weltraumwissenschaften. „Neue Wege zu verfolgen, wie sie hier vorgeschlagen werden, sieht sehr aufregend aus“, sagte Priyamvada Natarajan, ein Astronom aus Yale, der sich auf die Kartierung dunkler Materie spezialisiert hat und nicht an der Studie der Universität Zürich beteiligt war, gegenüber The Daily Beast.

Wir können vielleicht sogar feststellen, ob unser Sonnensystem oder auch nur unsere Ecke des Sonnensystems etwas Besonderes ist. „Unsere aktuellen Erwartungen für die [dark matter] Dichte auf der Erde basieren auf Beobachtungen von Sternen rund um die Galaxie, kombiniert mit der Annahme, dass sich die Erde aufgrund ihrer Entfernung vom galaktischen Zentrum in einem ziemlich typischen Teil der Galaxie befindet“, Tracy Slatyer, außerordentliche Professorin am Zentrum für Theoretische Physik an Das Massachusetts Institute of Technology, das nicht an der Studie beteiligt war, sagte The Daily Beast. „Es wäre fantastisch, wenn wir diese Annahme testen könnten.“

Zwicks Idee ist es, eine Sonde – oder mehrere Sonden – zu den entferntesten großen Objekten im Sonnensystem zu schicken: den Eisplaneten Uranus und Neptun.

„Nur Uranus und Neptun sind sinnvolle Ziele, da die Messung empfindlich auf die gesamte eingeschlossene Masse dunkler Materie zwischen der Sonne und dem Raumschiff reagiert“, erklärte Zwick gegenüber The Daily Beast. Mit anderen Worten, je weiter die Ziele Ihrer Sonden entfernt sind, desto mehr dunkle Materie müssen die Sonden durchdringen – und desto mehr Daten können sie sammeln.

Bodenlotsen verfolgten die Sonden sorgfältig und registrierten jede winzige Kurs- und Geschwindigkeitsänderung. Das Protokollieren dieser Änderungen ist eigentlich der springende Punkt. Jedes deutet auf den Einfluss der Schwerkraft hin – von einem Planeten oder Mond oder Asteroiden oder so etwas.

Oder vielleicht sogar aus dunkler Materie. “Das Vorhandensein von [dark matter] würde eine radiale Kraft erzeugen, die proportional zur eingeschlossenen Masse innerhalb der Umlaufbahn des Raumfahrzeugs ist“, schrieb das Team der Universität Zürich.

Wenn Zwicks Team oder andere Wissenschaftler Sonden an die äußeren Ränder unseres Systems schicken und sie etwa ein Jahrzehnt lang verfolgen könnten – und ja, Zwick hat bestimmte Sonden im Sinn, die in den nächsten 15 Jahren starten könnten –, könnten sie genug Daten haben um damit zu beginnen, die offensichtlichen Einflüsse auf die Reisen der Sonden auszusortieren. Was übrig bleibt, könnte ein Beweis für dunkle Materie sein.

Einige Experten für dunkle Materie stehen dem Plan skeptisch gegenüber – aber vielleicht nicht aus den offensichtlichen Gründen. Kosten und Technologie, die üblichen Hindernisse für eine neue Weltraummission, sind nicht wirklich die Probleme. Schließlich würde Zwicks Vermessung eigentlich kein eigenes Raumschiff benötigen. Da die Wissenschaftler der Dunklen Materie lediglich ein oder zwei Sonden verfolgen und ein Modell der Gravitationskräfte auf ihnen aufbauen müssen, reichen alle Sonden aus, solange sie weit genug reisen.

Daher ist es am sinnvollsten, sich an bestehende Raumfahrzeuge anzuhängen. Optimieren Sie einfach die Funkverbindung für die besseren Telemetriedaten, und Sie sind bereit, die lokale dunkle Materie zu untersuchen. „In gewisser Weise sind wir nur Anhalter“, sagte Zwick.

Die vielleicht besten Kandidaten sind zwei Sonden, die die NASA Ende der 2030er Jahre zu Uranus und Neptun schicken will. Die Raumfahrtbehörde hat sich den Sonden noch nicht vollständig verschrieben, daher gibt es keine klare Vorstellung davon, welche Instrumente sie tragen könnten oder wann genau sie starten könnten. Mark Hofstadter, ein Planetenwissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Kalifornien, betont die „Wichtigkeit, mindestens einen dieser Planeten und seine gesamte Umgebung zu erforschen, die überraschend dynamische Eismonde, Ringe und bizarre Magnetfelder umfasst“.

Zwick und Co. machen bereits Annäherungsversuche an die NASA. „Wenn wir überzeugend genug argumentieren und genügend Menschen überzeugen können, hoffen wir, dass die Idee zum Schneeball wird und die Verbesserung der Funkverbindung zu einer Priorität in der Missionsplanung wird“, sagte Zwick.

Aber selbst wenn die NASA unverzüglich zustimmt, könnten andere Komplikationen Zwicks Dunkle-Materie-Mission zum Scheitern bringen.

Für den Anfang ist es möglich, dass der Einfluss der Dunklen Materie auf eine Sonde, selbst eine weit fliegende, wirklich, wirklich subtil wäre. Vielleicht zu subtil, um von einem Rundungsfehler in unseren Berechnungen bekannter Gravitationseinflüsse zu unterscheiden. „Soweit ich weiß, gibt es keine Möglichkeit, die Empfindlichkeit zu erreichen, die erforderlich ist, um dunkle Materie im Sonnensystem allein durch ihre Gravitationseffekte zu messen, es sei denn durch die Dichte [of dark matter] ist viel höher als wir erwarten“, warnte Slatyer.

Dann gibt es noch die Aussicht auf unbekannte Gravitationskräfte sind nicht Dunkle Materie. So sehr Zwicks vorgeschlagenes Projekt eine Frage der Subtraktion ist, ist es absolut entscheidend, dass wir alle Zahlen verstehen. Eine bisher unbekannte Kraft, selbst eine winzige, könnte das gesamte Projekt zunichte machen. „Die Genauigkeit, die man bei der Bestimmung von Bewegungen von Testobjekten im Gravitationsfeld erreichen muss, ist … sehr hoch“, sagte Francisco-Shu Kitaura, ein Astrophysiker am Institut für Astrophysik auf den Kanarischen Inseln und der Universität von La Laguna. t an der Studie beteiligt, sagte The Daily Beast. Selbst Zwick und sein Team räumten ein, dass ihr Vorschlag nur funktionieren würde, „wenn alle auf das reale Raumschiff einwirkenden Kräfte vollständig modelliert sind“.

Unvollständige Modellierung stand hinter einer der frühesten Enttäuschungen der Dunklen Materie. 1972 startete die Pioneer-Sonde der NASA zu einer Mission zum Jupiter. Die Controller haben eine kleine, ungeplante Beschleunigung festgestellt. Für einen berauschenden Moment glaubten einige Wissenschaftler, es sei ein Beweis dafür, dass dunkle Materie an dem Schiff zerrte. Sie lagen falsch. „Am Ende erkannten die Leute, dass das Raumschiff Wärmestrahlung aussendete … was dazu führte, dass es leicht von seiner Flugbahn abwich“, erinnerte sich Zwick.

Natürlich ist nicht mehr 1972. Unsere Technik ist besser. Und wenn es um dunkle Materie geht, haben wir ein klareres Gespür dafür, wonach wir suchen. Vielleicht scheitert Zwicks Mission, unsichtbares Zeug zu kartieren, vorausgesetzt, es geht voran, weil wir nicht alles berücksichtigt haben sichtbar Zeug … noch.

Aber es wäre immer noch ein oder zwei Sonden in die richtige Richtung.

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