DU020 - Das dunkle Herz der Galaxie

DU020 - Das dunkle Herz der Galaxie

Dunkle Machenschaften

Zuerst reden Ruth und ich kurz über die Geschichte der Podcasts. Und danach ein wenig länger über politische Skandale und Korruption in der österreichischen Politik. Das ist zwar durchaus interessant, klingt aber nicht so als hätte es etwas mit Wissenschaft zu tun. Hat es aber! Ohne Probleme kommen wir vom Schwarzgeld zur Quantengravitation. Und auch danach geht es mit dunklen Machenschaften weiter: Ruth erzählt eine Geschichte die erklärt, wie Galaxien zu den gewaltigen schwarzen Löchern in ihren Zentren kommen: Vermutlich hat dunkle Materie etwas damit zu tun. Und Fragen beantworten wir auch: Über Sterne aus dunkler Materie, über die potenzielle Gewichtszunahme der Erde durch Meteoriten und jede Menge mehr. Hört es euch an!

Einleitung: Spaziergang mit Laptop und die gravitative Natur von Schwarzgeld

Die Frau des österreichischen Finanzministers geht gerne spazieren. Und nimmt dabei offensichtlich den Laptop mit. Was unter anderem deswegen aufgefallen ist, weil ihr Mann gerade unter Korruptionsverdacht steht und eine Hausdurchsuchung genau diesen Laptop sicherstellen sollte. Das stimmt wirklich! Ob sich der Verdacht bestätigen wird oder nicht, muss sich erst zeigen. Auf jeden Fall aber hat die Forschung festgestellt, dass man die Strömungen von Schwarzgeld überraschenderweise mit den mathematischen Methoden beschreiben kann, die normalerweise zur Beschreibung von gravitativen Wechselwirkungen verwendet wird (“Estimating money laundering flows with a gravity model-based simulation”). Was uns dazu inspiriert hat, die Entwicklung einer Quantenmechanik der Korruption zu forden um vielleicht über diesen Umweg endlich eine Theorie der Quantengravitation zu finden.

Mehr Informationen zu den Themen der Einleitung:

Was ein “Dutch Sandwich” ist und wie man damit Steuern vermeiden kann, weiß unter anderem die Wikipedia.

Astro-Geschichte: Das dunkle Herz der Galaxie

Im Zentrum jeder großen Galaxie befindet sich ein supermassereiches schwarzes Loch. Das kann ein paar Millionen bis zu ein paar Milliarden mal schwerer als die Sonne sein. Und wir wissen nicht, wie diese Objekte entstehen können. Eine neue Hypothese hat mit dunkler Materie zu tun. Von der dachte man bisher, dass sie eigentlich keine Konzentrationen mit hoher Dichte bilden kann; also keine Objekte wie Sterne oder ähnliches. Aber neue Forschung zeigt nun, dass auf sehr große Skalen betrachtet, vielleicht doch “Klumpen” aus dunkler Materie entstehen können ( “On the formation and stability of fermionic dark matter haloes in a cosmological framework”). Und die könnten der Ursprung der supermassereichen schwarzen Löcher sein. Das klappt aber nur, wenn die dunkle Materie eine ganz besondere Art von dunkler Materie ist, zum Beispiel sogenannte “sterile Neutrinos”.

Mehr Informationen zu den Themen der Geschichte:

Die von Ruth vorgestellte Studie wird auch hier zusammengefasst.

Folge Numme 15 von “Das Universum”, in der wir ausführlich über Neutrinos sprechen, findet ihr hier.

Über Messungen die zeigen, dass es vielleicht doch “sterile Neutrinos” geben könnte (und was das überhaupt ist), hat Florian hier mehr geschrieben.

Zur Menge an dunkler Materie im Sonnensystem findet ihr hier einen ausführlichen Text.

Über die schöne aber vermutlich falsche Hypothese der Supersymmetrie könnt ihr hier mehr hören.

Das Buch “Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray” von Sabine Hossenfelder hat Florian in seinem Blog besprochen. Den empfehlenswerten YouTube-Kanal von Sabine Hossenfelder gibt es hier.

Fragen an das Universum

Franz fragt, ob ”Antimaterie gleich mit Dunkler Materie ist, oder wenn nicht, gibt es auch dunkle Antimaterie?”

Eine sehr gute Frage. Wir wissen nichts von dunkler Antimaterie, denken aber dass es vom Konzept her schwierig wäre, da sich Materie von Antimaterie durch ihre elektrische Ladung unterscheidet und dunkle Materie keine Ladung hat. Es gibt aber Experimente am CERN, die die Interaktion zwischen Dunkler Materie und Antimaterie untersucht: Und zwar die Auswirkungen eines potentiellen Axionenfeldes auf Antiprotonen.

Dann kommen wir auf die Frage von Hubert zurück, die wir schon in Folge DU009 teilweise beantwortet haben: “Warum bilden sich nicht Sterne oder gar schwarze Löcher aus dunkler Materie?”

Kleinere Strukturen wie Sterne können sich nicht bilden, weil die Dunkle Materie ja nicht elektromagnetisch wechselwirkt. ABER, und das ist jetzt eine neue Option: Wenn die Dunkle Materie aus Fermionen, wie zum Beispiel dem hypotetischen sterilen Neutrino besteht, kann sie ab einer sehr großen Gesamtmasse (das ist die Masse einer kleinen Galaxie), ein dementsprechend großes supermassives Schwarzes Loch in ihrem Zentrum bilden.

Sebastian hat auch eine Frage zur Dunklen Materie: ”Wenn dunkle Materie mit dem sichtbaren Universum nur gravitativ in Wechselwirkung tritt, müßten die rauen Mengen an dunkler Materie doch auch mit den supermassereichen schwarzen Löchern in Wechselwirkung treten bzw. auch von diesen angezogen werden, mit in der Akkretionsscheibe landen und letztlich ins schwarze Loch stürzen. Sollte dann nicht auch irgendeine Art von Energie messbar sein?”

Wir sagen nein, da erstens in einer konzentrierten Struktur wie einer Akkretionsscheibe nur eher wenig Dunkle Materie vorhanden ist, und da zweitens die Dunkle Materie ihre Energie nicht so gut loswerden kann wie normale Materie, die das ja über Abstrahlung tut, was dunkle Materie nicht kann.

Daniel kann sich nicht ganz vorstellen, ”dass es eine „Substanz“ geben soll, die nicht mit Licht interagiert, aber trotzdem eine enorme Masse hat. Wäre es nicht eher denkbar, dass die Dunkle Materie aus bekannten Dingen im Universum besteht, welche sich zwischen den Galaxien herumtreiben?”

Die große Mehrheit dieser Möglichkeiten konnte schon ausgeschlossen werden. Es könnte sein, dass Objekte aus normaler Materie zur fehlenden Masse beitragen, aber wir brauchen auf jeden Fall noch etwas anderes. Florian versucht bei der Vorstellung zu helfen, in dem er die dunkle Materie mit einer durchsichtigen Glastüre vergleicht, gegen die man ja auch rennen kann obwohl man sie nicht sieht.

Björn schreibt: ”Wäre es möglich das auch das gesamte Universum selbst um eine Achse rotiert?” und fragt sich ob, wenn dem so ist, man dann noch Dunkle Materie braucht, um die Expansion des Universums zu erklären?

Nun, die dunkle Materie braucht man um die interne Rotation von Galaxien zu erklären, das heisst die wäre von einer Rotation des gesamten Universums nicht wirklich betroffen. Womit wir die Expansion des Universums erklären ist die Dunkle Energie, die ja mit der Dunklen Materie nichts zu tun hat, ausser dass wir auch nicht so recht wissen wobei es sich darum genau handelt. Zur Rotation des Universums haben wir in der Kosmologie Speziafolge DU14 mehr erzählt.

Barbara hat eine sehr schöne Frage: ”Die Erde hat eine bestimmte Masse, die unsere Umlaufbahn um die Sonne bestimmt. Wenn wir jetzt laufend Satelliten und Raumsonden ins All schicken, wird da nicht das ‘Gewicht’ der Erde geringer, und würde das nicht eine Änderung der Umlaufbahn bewirken?”

Im Prinzip ja. Die Änderung in der Erdmasse durch diesen Effekt ist aber so enorm gering, dass es keinerlei messbare Auswirkungen hat. Gleiches gilt für den Massenzuwachs durch Asteroideneinschläge. Das hat Florian hier genauer vorgerechnet.

Und zum Schluss noch eine mathematische Frage von Arnim: "Wieviel ist neun multipliziert mit sechs?" Florian verlässt sich sinnloserweise auf seinen TI68 Taschenrechner, während Ruth ihr kariertes Tischtuch ausbreitet und so die Aufgabe richtig löst: 9x6 ist natürlich 42.

Florian und Ruth im Fernsehen

Am 17. März 2021 startet die neue Staffel der Science Busters im österreichischen Fernsehen (ORFeins, 21:55). Florian ist dabei auf der Bühne zu sehen; Ruth hat die Requisiten gebaut und sitzt im Publikum. Mehr dazu - und ein paar Trailer - gibt es hier. Man kann die Sendung auch außerhalb von Österreich sehen und zwar immer sieben Tage nach der Ausstrahlung in der ORF TVthek.

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Florian könnt ihr in seinem Podcast “Sternengeschichten” zuhören, zum Beispiel hier: https://sternengeschichten.podigee.io/ oder bei Spotify - und überall sonst wo es Podcasts gibt. Florian und Ruth findet ihr beide auch regelmäßig im WRINT Wissenschaft”-Podcast den es ebenfalls bei Spotify gibt

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