KVHS Northeim 2025 : Astronomie - eine Reise durch Raum und Zeit

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Dunkle Materie in unserer Milchstrasse

• Die Dunkle Materie ist eine der grossen unbekannten Komponenten des Universums.
• Die Dunkle Materie macht den Grossteil der Masse der Milchstrasse aus, ist jedoch nicht direkt sichtbar, sondern nur durch ihre gravitative Wechselwirkungen (Gravitationslinse, Einstein-Ringe) nachweisbar.
• Durch ihren Beitrag zur Gesamtmasse unserer Galaxie betimmt die Dunkle Materie Rotation und Struktur derselben.
• Während die genaue Natur der Dunklen Materie noch unbekannt ist, gibt es zahlreiche Hinweise auf ihre Existenz durch astronomische Beobachtungen und kosmologische Modelle.

Verweise

• Wikipedia - Dunkle Materie

Liste aller Eigenschaften

1. Allgemeine Eigenschaften

• Definition: Dunkle Materie ist eine unsichtbare, nicht-leuchtende Form von Materie, die durch ihre gravitative Wirkung nachweisbar ist.
• Massenanteil: Etwa 85% der Gesamtmasse der Milchstraße besteht aus Dunkler Materie.
• Unsichtbarkeit: Sie interagiert nicht mit elektromagnetischer Strahlung (kein Licht, keine Wärme, keine Radiowellen).
• Nachweis: Indirekt durch Rotationskurven, Gravitationslinsen und kosmische Hintergrundstrahlung.
• Dichteverteilung: Die höchste Konzentration befindet sich im galaktischen Zentrum, mit abnehmender Dichte nach außen.

2. Physikalische Eigenschaften

• Masse: Einzelne Partikel der Dunklen Materie könnten sehr leicht oder extrem schwer sein (abhängig vom Modell).
• Interaktion:
  • Keine oder extrem schwache Wechselwirkung mit elektromagnetischen und starken Kernkräften.
  • Spürt nur die Gravitation und möglicherweise die schwache Wechselwirkung.
• Temperatur:
  • Dunkle Materie ist "kalt" (Cold Dark Matter, CDM) – das bedeutet, sie bewegt sich relativ langsam im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit.
  • Alternativ gibt es Modelle mit "warmer" oder "heißer" Dunkler Materie, die sich schneller bewegen könnte.
• Verteilung:
  • Dunkle Materie bildet einen sphärischen Halo um die Milchstraße.
  • In der galaktischen Scheibe ist sie weniger konzentriert.

3. Dynamik und Einfluss auf die Milchstraße

• Galaktische Rotation:
  • Die Milchstraße rotiert mit nahezu konstanter Geschwindigkeit bis in große Entfernungen, was auf eine große Menge Dunkler Materie hinweist.
• Gravitative Stabilisierung:
  • Ohne Dunkle Materie würden sich die Sterne in der äußeren Milchstraße nicht so schnell bewegen, ohne aus der Galaxie herausgeschleudert zu werden.
• Galaxienentstehung:
  • Dunkle Materie war entscheidend für die Bildung der Milchstraße, da sie Materie durch ihre Gravitation zusammenzog.
• Einfluss auf Satellitengalaxien:
  • Dunkle Materie beeinflusst die Bewegung und Verteilung der kleineren Galaxien, die die Milchstraße umkreisen.

4. Indirekte Nachweisverfahren

• Rotationskurven von Sternen und Gaswolken:
  • Messungen zeigen, dass die äußeren Regionen der Milchstraße viel schneller rotieren, als es durch sichtbare Materie erklärbar wäre.
• Gravitationslinseneffekt:
  • Licht von Hintergrundgalaxien wird durch die gravitative Wirkung der Dunklen Materie abgelenkt.
• Kosmische Hintergrundstrahlung:
  • Messungen der Fluktuationen im frühen Universum (z. B. durch Planck-Satelliten) zeigen Hinweise auf Dunkle Materie.
• Satellitengalaxien:
  • Die Verteilung der Zwerggalaxien um die Milchstraße deutet auf eine große Menge Dunkler Materie hin.

5. Theoretische Modelle für Dunkle Materie

Teilchenbasierte Modelle

• WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles):
  • Hypothetische schwere Teilchen, die nur schwach wechselwirken.
  • Kandidat für Dunkle Materie in vielen Modellen der Teilchenphysik.
• Axionen:
  • Sehr leichte hypothetische Teilchen, die als Dunkle Materie existieren könnten.
• Sterile Neutrinos:
  • Hypothetische Teilchen, die sich ähnlich wie Neutrinos verhalten, aber mit der bekannten Materie nicht wechselwirken.

Alternative Erklärungen

• Modifizierte Gravitationstheorien (MOND, TeVeS):
  • Statt Dunkler Materie wird eine Modifikation der Gravitation angenommen, um die beobachteten Effekte zu erklären.
• Primordiale Schwarze Löcher:
  • Dunkle Materie könnte aus sehr kleinen Schwarzen Löchern aus der Frühzeit des Universums bestehen.

6. Verteilung der Dunklen Materie in der Milchstraße

• Halo-Modell:
  • Die Dunkle Materie der Milchstraße wird als ein großer, kugelförmiger Halo modelliert, der die gesamte Galaxie umhüllt.
• Dichteverlauf:
  • Höhere Konzentration im Zentrum der Galaxie, nimmt mit der Entfernung ab.
• Subhalos:
  • Kleine Klumpen aus Dunkler Materie könnten existieren und Wechselwirkungen mit Sternen verursachen.

7. Auswirkungen auf zukünftige Forschung

• Direkte Detektionsexperimente:
  • Xenon1T, LUX-ZEPLIN und andere Experimente suchen nach direkten Wechselwirkungen mit Dunkler Materie.
• Beschleunigerexperimente:
  • Der Large Hadron Collider (LHC) sucht nach neuen Teilchen, die Dunkle Materie erklären könnten.
• Astrophysikalische Beobachtungen:
  • Neue Radioteleskope und Weltraumteleskope (wie James Webb) untersuchen Galaxien und Dunkle Materie in größerem Detail.