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.

Eigenschaften der Dunklen Materie

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 grouml;sserem Detail.