Das Unnachweisbare nachweisen – Forscher auf der Jagd nach dunkler Materie unterstützt durch 3D-Druck

Die Jagd nach einem der dunkelsten Geheimnisse des Universums geht weiter, während Wissenschaftler die Geheimnisse der dunklen Materie erforschen. Dunkle Materie ist für zentrale Vorgänge im Sonnensystem verantwortlich, wie die Entstehung von Galaxien, ist jedoch berüchtigt schwer nachzuweisen. Eine neue Studie, die von Forschern der School of Physics and Astronomy der University of Nottingham vorgelegt wurde, demonstriert eine Methode zur Detektion dunkler Materie mithilfe eines speziell entworfenen Vakuumsystems. Das sollten Sie wissen.

Was ist dunkle Materie?

Normale Materie ist das, was die Menschen als alles betrachten. Alles, was Raum einnimmt und Masse hat, fällt in diese Kategorie, vom größten Stern bis zum kleinsten Atom. Überraschenderweise ist diese Art von Materie nur ein kleiner Teil der Gleichung. Konkret macht sie etwa 5 % der Zusammensetzung des Universums aus.

Forscher haben festgestellt, dass 30 % des Universums aus dunkler Energie bestehen, einer weiteren mysteriösen Kraft, die Wissenschaftler bereits seit einiger Zeit untersuchen. Die restlichen 69 % sind dunkle Materie. Forscher haben viele Annahmen über diese Kraft getroffen.

Einige glauben, dass dunkle Materie aus primordialen Schwarzen Löchern besteht, während andere davon ausgehen, dass es sich um noch unentdeckte subatomare Teilchen handeln muss. Trotz ihrer unterschiedlichen Standpunkte sind sich alle einig, dass die Wissenschaft noch nicht über empfindliche genug Geräte verfügt, um diese Energiemenge zu erfassen.

Wie wurde dunkle Materie entdeckt?

Astronomen erwähnten dunkle Materie erstmals 1933. Ein schweizerisch-amerikanischer Astronom namens Fritz Zwicky war überrascht, dass die Galaxie des Coma-Clusters den damals bekannten astronomischen Vorstellungen widersprach. Die Galaxie besaß nur 1 % der Masse, die nötig wäre, um die Galaxien zusammenzuhalten.

Quelle – Constellation-Guide

Er theoretisierte, dass es eine andere Form von Materie geben müsse, die die notwendige Masse liefert, um die Galaxien an Ort und Stelle zu halten. Diese schwer fassbare Substanz fungierte als strukturelle Stütze und Leitfaden für die Entstehung neuer Sterne, Galaxien und mehr. Bemerkenswert ist, dass er mathematisch nachweisen konnte, dass die Masse existiert, doch es würde viele weitere Jahre Forschung erfordern, bis Wissenschaftler dunkle Materie‑Anomalien konsistent und messbar reproduzieren können.

Die Detektion dunkler Materie ist schwierig

Die Erkennung unsichtbarer dunkler Materie hat sich als zeitaufwendig und wissenschaftlich herausfordernd erwiesen. Die Kraft ist unsichtbar und selbst mit den fortschrittlichsten optischen Instrumenten ist sie fast unmöglich nachzuweisen. Stattdessen ist die einzige Möglichkeit, mit der Forscher diese Kraft bisher detektieren konnten, über Schwankungen der gravitativen Einflüsse.

Neue Studie verbessert die Detektion

Die Studie „Detecting dark domain walls through their impact on particle trajectories in tailored ultrahigh vacuum environments“ erklärt eine neue Methode zur Messung der Präsenz dunkler Materie. Der neuartige Ansatz führt eine speziell konstruierte 3D‑gedruckte Vakuumkammer ein, die es dunkler Materie ermöglicht, sich anzusammeln und zu kollidieren, was zu gravitativen Schwankungen führt.

Skalare Felder

Die Forscher nutzten skalare Felder, um sicherzustellen, dass sie winzige Änderungen im Gravitationsfeld erfassen. Skalare Felder werden häufig verwendet, um Daten aus 3D‑Umgebungen zu verarbeiten und zu erfassen. Diese Testprotokolle ordnen jedem einzelnen Punkt im Raum eine spezifische Zahl zu. Skalare Felder bieten eine genaue und konsistente Methode, um Änderungen von Feldern im Raum zu messen.
Skalare Felder sind heute verbreitet. Sie werden verwendet, um Temperaturänderungen, elektrisches Potential, Strahlung, Druck und gravitative Veränderungen zu messen. Die dynamische Natur dieser Art der Datengewinnung ermöglicht es Forschern, nützliche Einblicke in die überwachte Umgebung zu erhalten. Diese Daten können linear, nichtlinear oder skaliert erfasst werden.

Test

Die Studie, die drei Jahre zur Fertigstellung benötigte, zeigt, wie spezielle 3D‑gedruckte Kammern ein Phänomen namens Domain Walls erzeugen. Domain Walls sind Energieansammlungen, die auftreten, wenn Phasenübergänge im skalaren Feld stattfinden. Die Domain Walls beeinflussen Teilchen, wenn sie sie durchqueren, ändern deren Bahn und verändern deren Flugweg. Diese Abweichung kann gemessen werden, um die Existenz dunkler Materie zu bestimmen.
Forscher überwachten diese Domain Walls und nutzten ihre Daten, um die ideale 3D‑gedruckte Vakuumkammer zu erstellen. Das Gerät integrierte eine spezifische Form und Struktur zum Einfangen dunkler Materieteilchen. Die Forscher verwendeten zudem spezielle Materialien, die den Fangprozess unterstützten.

Niedrigere Dichte durch Absenken der Temperatur

Das Team ergänzte den Reaktionsprozess, indem es die Temperatur der leichten Teilchen senkte. Dieser Vorgang wurde von den Forschern mit dem Verhalten von Wasser verglichen, das bei sinkender Temperatur langsamer wird und erstarrt. In dieser Forschung wurde das gasförmige, niedrigere Dichte‑Gemisch mit ultrakalten Lithium‑Atomen kombiniert.
Im Rahmen des Experiments wurden diese Atome auf -273 Grad abgekühlt. Diese Temperatur brachte die Atome nahe an den absoluten Nullpunkt, sodass sie im Vergleich zu normalen Temperaturen stabil reagieren konnten. Dieser Vorgang simulierte ein Teilchen, das durch ein Material reist, das entlang seines Pfades dichter wird.

Ergebnisse

Forscher konnten erfolgreich Nanohertz‑Gravitationswellen‑Fluktuationen messen, deren Vorhandensein auf dunkle Materie hinweist. Diese Ergebnisse könnten die Sichtweise der Wissenschaftler auf die Entwicklung des Universums nachhaltig beeinflussen. Nun kann der Testprozess genutzt werden, um weitere Daten über diese schwer fassbaren Teilchen zu sammeln, die die Bausteine der Galaxie bilden.

Forscher

Die Studie wurde an einer der führenden europäischen Forschungseinrichtungen, der School of Physics and Astronomy der University of Nottingham, durchgeführt. Insbesondere leitete Professorin Clare Burrage die Forschungsarbeiten, unterstützt von Associate Professor Lucia Hackermüller.

Vorteile, die die Studie aufzeigt

Die Möglichkeit, dunkle Materie mithilfe von Domain Walls und gedruckten Vakuumkammern zu detektieren, eröffnet Forschern und jenen, die ein besseres Verständnis dieser Kraft erlangen wollen, neue Chancen. Die Studie legt die Grundlage für Forscher, die die Wirkungen dieser Kraft messen und vorhersagen wollen, mit dem Ziel, eines Tages zu verstehen, wie sie bei der Entstehung von Galaxien und der Evolution des Universums hilft.

Weitere bemerkenswerte Studien zur dunklen Materie

Die wissenschaftliche Gemeinschaft innoviert weiterhin und entwickelt neue Methoden zur Überwachung dunkler Materie und Energie. Diese Methoden erstrecken sich über verschiedene Fachgebiete, darunter Messungen aus dem Weltraum, die Erstellung großer Geräte zur Verfolgung von Lichtteilchen zur Suche nach gravitativen Effekten und vieles mehr. Hier sind einige der bislang vorteilhaftesten Bemühungen.

Euclid-Weltraumteleskop

Das europäische Euclid-Weltraumteleskop wurde kürzlich von einer Falcon‑9‑Rakete aus Florida gestartet, um nach dunkler Materie zu suchen. Das Projekt, genannt „Dark Detective“, wurde entwickelt, um mit dem James‑Webb‑Teleskop zusammenzuarbeiten und Anomalien weiter zu untersuchen. Im Gegensatz zum James‑Webb‑Teleskop, das über eine unglaubliche Punktgenauigkeit verfügt, wurde das 15 Fuß hohe und 11 Fuß breite Satellitenteleskop konzipiert, um riesige Panoramabilder des Universums aufzunehmen.
Das Gerät wird in der Lage sein, die umfassendsten Perspektivaufnahmen der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums zu erfassen. Wissenschaftler können diese Aufnahmen untersuchen, um die Lichtbewegung über die Galaxie zu verfolgen. Bemerkenswert ist, dass sie anschließend Lichtverzerrungen nutzen können, um gravitative Anomalien, die durch dunkle Materie verursacht werden, zu lokalisieren. Dieses Phänomen ist als Gravitationslinseneffekt bekannt und hat einige faszinierende Ergebnisse hervorgebracht.

CERN

Eines der vorteilhaftesten und bekanntesten Projekte, das versucht, dunkle Materie zu überwachen, zu messen und zu erzeugen, stammt von den Forschern des CERN. Diese riesige Forschungseinrichtung wurde 1954 gegründet. Seitdem spielt sie eine bedeutende Rolle in der wissenschaftlichen Gemeinschaft über mehrere Bereiche hinweg, einschließlich der Entwicklung von Forschungsprotokollen zur Entdeckung und Überwachung hochenergetischer Prozesse.

Dieses in Genf ansässige Forschungsunternehmen hat mit den brillantesten und innovativsten Projekten des Marktes zusammengearbeitet, und seine Errungenschaften können nicht hoch genug eingeschätzt werden. Zum Beispiel startete Tim Berners‑Lee 1989 berühmt das World Wide Web aus dieser Einrichtung, die später 1991 die erste Website beherbergte. Heute konzentriert sich die Einrichtung auf eine Vielzahl wissenschaftlicher Aktivitäten.

CERN ist vor allem als Heimat des Large Hadron Collider (LHC) bekannt. Dieses Gerät ist der weltweit größte und energieintensivste Teilchenbeschleuniger. Es kann Teilchenpakete beschleunigen und mit Höchstgeschwindigkeit aufeinanderprallen, um die Effekte zu registrieren. Diese Methode wird nun verwendet, um gravitative Effekte zu messen, die durch dunkle Materie verursacht werden, was eines Tages weiteres Licht auf deren Existenz und Wirkungen werfen könnte.

Neutronenstern

Eine weitere Methode, die Forscher eingeführt haben, um die Präsenz dunkler Materie zu überwachen, ist die Messung der Energieniveaus von Neutronensternen. Mit einem eigens dafür gebauten Teleskop, dem IceCube Neutrino Observatory am Südpol in der Antarktis, können Forscher die Anhäufung dunkler Materie auf diesen Himmelskörpern beobachten.
Bemerkenswert ist, dass Wissenschaftler nach den Nebenprodukt‑Teilchen suchen, die entstehen, wenn dunkle Materie interagiert und sich selbst zerstört. Dieses Phänomen tritt immer dann auf, wenn sich dunkle Materie auf einem Neutronenstern ansammelt. Diese Methode verfolgt die Nebenprodukte dieser Kollisionen und misst deren Schwankungen im Laufe der Zeit, wodurch eine Karte dieser Energie während ihrer Ausbreitung entsteht.

Unternehmen, die von diesen Entdeckungen profitieren könnten

Die Fähigkeit, dunkle Materie zu detektieren und eines Tages zu nutzen, ist ein langjähriges Ziel von Wissenschaftlern und Forschern. Diese neuesten Entwicklungen erleichtern das tiefgehende Studium dieses schwer fassbaren Elements und das Entschlüsseln seiner Geheimnisse. Um diese Aufgabe zu bewältigen, wird die Nachfrage nach Raumfahrzeugen und hochmodernen Testanlagen steigen. Hier sind zwei Unternehmen, die von diesen Fortschritten künftig profitieren könnten.

1. SpaceX

Der exzentrische Milliardär Elon Musk gründete SpaceX am 14. März 2002. Dieses in El Segundo, Kalifornien ansässige Unternehmen startete zunächst unter dem Namen „Space Exploration Technologies (SPCX ) Corporation“ (SET), bevor es sich in den markttauglicheren Namen SpaceX umbenannte. Bemerkenswert ist, dass Musk zur Sicherung des Projekts 50 % seiner damals 180 Mio. $‑wertigen PayPal (PYPL ) ‑Aktien einsetzte. Diese Mittel wurden verwendet, um die Forscher zu sichern, die für den Start ihrer ersten Rakete nötig waren.
SpaceX ist heute Vorreiter im kommerziellen Weltraumsektor. Das Unternehmen bleibt das erste privat finanzierte Unternehmen, das ein Fahrzeug zur Internationalen Raumstation schickte. Es ist außerdem das erste, das eine Rakete auf dem Mond landete, die leistungsstärkste Rakete startete und das einzige Unternehmen, das erfolgreich eine wiederverwendbare Rakete landete.

2. Teledyne Technologies Inc.

TDY Preisdiagramm

Teledyne Technologies (TDY ) Inc. ist ein führender Anbieter von Luft- und Raumfahrtmaterialien. Das Unternehmen bietet eine Auswahl hochentwickelter elektronischer Komponenten, Instrumente und Kommunikationsprodukte. Teledyne Tech trat 1999 in den Markt ein und bestand ursprünglich aus einem Konglomerat von 19 Unternehmen. Heute umfasst Teledyne Technologies, Inc. weltweit über 100 Unternehmen.

Teledyne Technologies Inc. könnte erhebliche Gewinne erzielen, die aus dem Bestreben resultieren, mehr Sensoren im Weltraum zu platzieren. Das Unternehmen ist ein wichtiger Anbieter von luft- und raumfahrtgeeignetem Aluminium und anderen Systemen, die für die Durchführung dieser Missionen entscheidend sind. Derzeit nutzen mehrere Satelliten die Produkte des Unternehmens.

Die Aktie von Teledyne Technologies Inc. (TDY) hat konstante Renditen von 6,56 % erzielt. Die Positionierung des Unternehmens und das prognostizierte Wachstum raumfahrtbezogener Aktivitäten machen diese Anlage zu einem starken „Kauf“. In den kommenden Wochen wird Teledyne Technologies, Inc. weiterhin eine zentrale Rolle im wachsenden Luft‑ und Raumfahrtmarkt spielen.

Zukunft der Forschung zu dunkler Materie

Die Zukunft der Forschung zu dunkler Materie ist vielversprechend. Die Einführung von Robotik und KI wird sie auf neue Höhen treiben und es Forschern ermöglichen, zum ersten Mal diese Substanz konsequent zu verfolgen und zu überwachen. Der Einsatz von KI‑gestützten robotischen Weltraumforschern wird dazu beitragen, Menschen diesen schwer fassbaren Antworten näher zu bringen, ohne Menschenleben zu gefährden.
Zusätzlich wird ein stärkerer Fokus darauf liegen, dunkle Materie im Labor zu erzeugen. Der LHC wird dabei eine zentrale Rolle spielen, da er der größte Teilchenbeschleuniger ist, ausgestattet mit Sensoren, die empfindlich genug sind, um die winzigen Schwankungen, die durch dunkle Materie verursacht werden, zu erfassen.

Messung dunkler Materie ist Schritt 1

Die Fortschritte bei der Messung dunkler Materie tragen weiterhin dazu bei, die Eigenschaften dieser noch nicht vollständig verstandenen Kraft aufzudecken. In Zukunft werden Forscher relevante Daten verknüpfen und fortschrittliches KI‑Deep‑Learning nutzen, um Korrelationen herzustellen, die für menschliche Leser bislang unwahrscheinlich schienen. All diese Entwicklungen und vieles mehr werden dazu führen, dass dunkle Materie in Zukunft transparenter wird.

Mehr über spannende Luft‑ und Raumfahrtprojekte erfahren Sie hier.