Eine Illustration zeigt einen möglichen zweiten Urknall, einen „dunklen Urknall“.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Unser allgemeines Verständnis des Universums besagt, dass alle Materie und Energie zu Beginn der Zeit während einer Periode schneller Inflation, die als Urknall bezeichnet wird, entstanden ist.
Im Jahr 2023 schlugen Katherine Freese, Direktorin des Texas Center for Cosmology and Astroparticle Physics, und Martin Wolfgang Winkler von der University of Texas jedoch eine radikale neue Idee vor: einen „zweiten Urknall“. Jetzt haben zwei Wissenschaftler der Colgate University das Konzept des „dunklen Urknalls“ erweitert, der das Universum zur gleichen Zeit wie der Standard-Urknall bis zu einem Jahr nach dem primären kosmischen Schöpfungsereignis mit dunkler Materie überflutet haben könnte. Sie haben alle möglichen Szenarien für einen dunklen Urknall dargelegt, die mit unseren Beobachtungen des Universums übereinstimmen würden. Das Duo legte auch fest, wie Beweise für einen dunklen Urknall gesammelt werden könnten.
„Wir haben gezeigt, dass es für einen dunklen Urknall viel mehr mögliche Realisierungen gibt als die, die Freese und Winkler in ihrer bahnbrechenden Arbeit identifiziert haben“, so der Autor der Studie und Colgate Assistant Professor für Physik und Astronomie Cosmin Ilie gegenüber kosmischeweiten.de. „Eine der Implikationen unserer Arbeit ist es daher, ein solches Szenario plausibler zu machen.“
Ist dunkle Materie so seltsam, dass sie einen eigenen Urknall braucht?
Einer der Gründe, warum die gewöhnliche Materie und die dunkle Materie seit langem denselben Ursprung haben, ist, dass dies die einfachste oder „sparsamste“ Idee ist – eine, die dem Prinzip von Occams Razor entspricht, das besagt, dass die Theorie, die die geringste Anzahl zusätzlicher Mechanismen vorsieht, wahrscheinlich die richtige ist. Aber das Universum muss sich nicht an dieses Sprichwort halten, und häufig tut es das auch nicht.
„Die Annahme, dass die dunkle Materie und die normale Materie durch dasselbe Ereignis, den Urknall, entstanden sind, ist angesichts ihrer Einfachheit natürlich. Deshalb blieb sie auch so lange unangefochten“, sagte Ilie. „Aber die Natur muss nicht sparsam sein, sich nicht an Occams Rasiermesser halten und auch nicht an unsere ästhetischen Vorlieben.“
Ein Diagramm, das zeigt, wie viel Masse im Universum auf die dunkle Materie entfällt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Die dunkle Materie beunruhigt die Wissenschaftler, weil sie anscheinend nicht mit Lichtteilchen (Photonen) oder Teilchen der „gewöhnlichen“ Materie interagiert, aus denen die Atome bestehen, aus denen alles um uns herum besteht. Dies macht dunkle Materie praktisch unsichtbar.
Das bedeutet, dass es sich bei den Teilchen, aus denen die dunkle Materie besteht, nicht um Elektronen, Protonen oder Neutronen handeln kann, also um Teilchen aus der Familie der Baryonen, die in den Atomen vorkommen und die mit dem Licht und untereinander interagieren. Die Teilchen der dunklen Materie überwiegen die gewöhnlichen Teilchen um etwa 5 zu 1, was bedeutet, dass jeder Stern, Planet, Mond, jede Lebensform und jedes physikalische Objekt nur 15 % der Materie im Kosmos ausmacht, während die dunkle Materie die anderen 85 % ausmacht.
Die einzige Möglichkeit, dunkle Materie nachzuweisen, ist ihre Wechselwirkung mit der Schwerkraft. Ilie fügte hinzu, dass das Schöne an der Theorie des dunklen Urknalls darin besteht, dass bei diesem Ereignis dunkle Materieteilchen entstehen würden, die nur über die Schwerkraft mit normaler Materie wechselwirken würden.
„Dieses Modell könnte also erklären, warum alle Versuche, dunkle Materie direkt, indirekt oder über die Produktion von Teilchen nachzuweisen, fehlgeschlagen sind“, so der Forscher. „Daher ist ein dunkles Urknall-Szenario für den Ursprung der dunklen Materie nicht nur möglich, sondern vielleicht sogar wahrscheinlicher als die Alternative!“
Ein Zeitstrahl des Universums: Müssen Wissenschaftler einen zweiten Urknall einplanen, um die dunkle Materie zu erklären? (Bildnachweis: N.R. Fuller, National Science Foundation)Ilie erläuterte, wie sich der ursprüngliche Urknall und der dunkle Urknall unterschieden haben könnten: „Man nimmt an, dass die erste Phase der Entwicklung des Universums, der Urknall, eine sehr kurze inflationäre Periode war, die in einer so genannten Wiedererwärmung endete“, erklärte er. „Während des Wiederaufheizens wird die in dem Feld, das die kosmische Inflation antreibt, gespeicherte Energie in ein Plasma aus hochenergetischen Teilchen umgewandelt. Im Szenario des Dunklen Urknalls mit zwei Urknallen können dunkle Materieteilchen jedoch später durch den Zerfall eines separaten Feldes erzeugt werden, das nur mit dem so genannten „Dunklen Sektor“ wechselwirkt.
Der „Dunkle Sektor“ wäre die Menge der dunklen Materieteilchen und ihrer Wechselwirkungen.
„Das Standardmodell der Teilchenphysik charakterisiert die Teilchen, die wir kennen, und die Kräfte, die ihre Wechselwirkungen vermitteln“, so der Forschungsautor und Wissenschaftler der Colgate University Richard Casey gegenüber kosmischeweiten.de. „Wer kann sagen, dass die dunkle Materie – all die noch unentdeckten Teilchen, die den größten Teil des Universums ausmachen – nicht ihre eigene komplizierte Reihe von Teilchen und Wechselwirkungen hat?“
Casey erklärte, dass es nach dem bisherigen Stand der Urknalltheorie viele verschiedene Arten von dunklen Sektoren geben kann. Das wichtigste Ergebnis der von Ilie und Casey durchgeführten Arbeiten zum dunklen Urknall ist die Definition seiner Parameter und die Einordnung in die Geschichte des Universums. Dies umfasste einen noch nie zuvor erforschten mathematischen Raum. Dieser große neue Bereich ist für das Duo besonders aufregend, weil die Gleichungen, die Eingaben in physikalische Größen umwandeln, drastisch vereinfacht werden können. Der Schlüssel zu diesem Nachweis könnten schwache Wellen in Raum und Zeit sein, so genannte „Gravitationswellen“, die erstmals 1915 von Einstein vorhergesagt wurden.
„Ein Ereignis in der Größenordnung des Dunklen Urknalls wird Gravitationswellen erzeugen“, so Ilie. „Wir haben implizit die Gravitationswellensignale eines möglichen Dunklen Urknalls bestimmt. Für bestimmte Referenzszenarien zeigen wir, dass diese Gravitationswellen von laufenden oder zukünftigen Experimenten wie dem International Pulsar Timing Array (IPTA) oder dem Square Kilometer Array (SKA) nachgewiesen werden könnten.
„In Zukunft könnten präzisere Daten verwendet werden, um die möglichen Realisierungen eines dunklen Urknalls einzugrenzen oder vielleicht sogar als Theorie für den Ursprung der mysteriösen dunklen Materie zu bestätigen.“
Ilie und Casey sind der Meinung, dass, wenn die Theorie des Dunklen Urknalls richtig ist, Beweise dafür entdeckt werden könnten, weil der Dunkle Sektor und die gewöhnliche Materie miteinander kommunizieren.
„Es muss noch untersucht werden, wie der Dunkle Urknall aussehen würde, wenn man bedenkt, wie der dunkle und der sichtbare Sektor durch Kräfte miteinander kommunizieren könnten, die nicht bereits Teil des Standardmodells sind“, so Casey. „Wenn der Dunkle Urknall möglich bleibt, wenn neue Wechselwirkungen zwischen den beiden Sektoren eingeführt werden, könnten Gravitationswellen aus dem Phasenübergang zusätzlich zu Teilchenbeschleunigern verwendet werden, um Modelle des Dunklen Sektors zu erforschen“, so Casey.
