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Jäger der dunklen Materie, der unerwartete, riesige ‘Fermi-Blasen’ fand, gewinnt 100.000 Dollar-Preis für Physik

Tracy Slatyer, bekannt für die Jagd auf dunkle Materie in unserer Galaxie und die Entdeckung von Hinweisen auf eine uralte Milchstraßenexplosion, hat einen Preis in Höhe von 100.000 US-Dollar für neue Horizonte in Physik gewonnen.

Slatyer, ein aus Australien stammender MIT-Physiker, ist am bekanntesten als Mitentdecker der “Fermi Bubbles”. Auf der Suche nach Hinweisen auf die Signatur der dunklen Materie in den Gammastrahlen, die vom Zentrum der Milchstraße ausgehen, fanden sie und ihre Kollegen nie zuvor gesehene Strukturen, die sich weit über und unter der galaktischen Scheibe erstrecken – Nachbeben eines Ausbruchs eines Schwarzen Lochs aus Millionen von Vor Jahren wurde das nach dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop als “Fermi-Blase” bekannt. Aber Slatyer jagt immer noch dunkle Materie und hat vielversprechende (wenn auch noch vorläufige) Hinweise auf das Zeug im galaktischen Zentrum gefunden.

Der New Horizons Award, der jedes Jahr von der Breakthrough Prize Foundation vergeben wird, geht an Forscher der frühen Karriere wie Slatyer, die ihren Ph.D. im Jahr 2010 und wurde am MIT im Jahr 2013 eingestellt. New Horizons-Preise sind kleiner als die 3-Millionen-Dollar-Preise, die Breakthrough jedes Jahr verteilt, normalerweise an ältere und etabliertere Wissenschaftler. Slatyer war der einzige Solo-Gewinner eines New Horizons-Preises für Physik 2021, die beiden anderen Preise gingen an Forschungsteams mit jeweils vier Mitgliedern. Das Preisgeld wird von einer Gruppe von Tech-Milliardären gespendet (Sergey Brin, Anne Wojcicki, Mark Zuckerberg, Priscilla Chan, Yuri Milner, Julia Milner, Jack Ma und Pony Ma).

Durchbruch verlieh Slatyer den Preis “Für wichtige Beiträge zur Teilchenastrophysik, von Modellen der Dunklen Materie bis zur Entdeckung der” Fermi-Blasen “.

Slatyer verbringt viel Zeit damit, Modelle der Dunklen Materie zu verfeinern – genau herauszufinden, wie sich ihre Partikel verhalten könnten und welche Auswirkungen diese verschiedenen Möglichkeiten haben. Und den Rest ihrer Zeit verbringt sie damit, sie zu jagen.

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“Es war eine völlige Überraschung”, sagte Slatyer gegenüber Live Science. “Der Preis war nicht einmal auf meinem Radar.”

Etwa 84% der Masse im Universum besteht aus dunkler Materie, die kein Licht emittiert, aber eine Anziehungskraft ausübt. Wissenschaftler wissen nicht, was diese dunkle Materie ist oder woher sie kommt. Aber Physiker können indirekte Beweise für dunkle Materie durch ihre Gravitationseffekte auf leuchtende Materie sehen (das Zeug, das wir sehen können). Die Bewegungen und Anordnungen von Galaxien, das Verhalten von Licht in weiten Regionen des Weltraums und die Struktur des Universums lassen darauf schließen, dass da draußen etwas vorhanden ist, das wir nicht direkt erkennen können – ein Großteil davon gruppiert sich in “Halos” um große Galaxien wie Die Milchstraße. 

Derzeit ist die direkte Erkennung dunkler Materie eines der größten Ziele in der Physik. Das ist ein großer Teil dessen, was Slatyer in ihrer Karriere versucht hat. Aber bisher war dunkle Materie sehr gut darin, sich zu verstecken. 

“Wenn es mit den anderen Kräften interagiert, über die wir Bescheid wissen” – wie dem Elektromagnetismus oder der schwachen Kraft und der starken Kraft in Atomkernen – “dann ist es ziemlich schwach”, sagte Slatyer.

Aber es gibt Grund zu der Annahme, dass es ein wenig mit anderer Materie interagiert. Der Hinweis liegt in dieser Zahl, 84%. Physiker neigen dazu, über Zahlen in “Größenordnungen” nachzudenken. Das heißt: Sind sie sehr klein, klein, mittel, groß, sehr groß, sehr, sehr groß oder was? Die genaue Anzahl ist wichtig, aber auch die allgemeine Kategorie, in die sie fällt. Und 84% sind aus Sicht eines Physikers eine mittelgroße Zahl. Es ist nicht klar, warum der Teil der Dunklen Materie im Universum mittelgroß sein sollte.

“Warum ist es sozusagen im gleichen Stadion wie 50%?” Sagte Slatyer. “Warum sind es nicht 99,999%? Oder 0,0001% Prozent der Materie im Universum?”

Eine mögliche Erklärung: Dunkle Materie interagiert periodisch mit anderen Materieteilchen, jedoch nur schwach. Es gibt andere Partikel wie dieses: Neutrinos sind überall um uns herum, aber sie interagieren selten und können nur mit sehr empfindlichen Geräten erkannt werden. In den frühen Tagen des Universums, als alles heißer und dichter und näher beieinander war, fanden diese Wechselwirkungen die ganze Zeit statt. Das enge Zusammendrücken hätte die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen der dunklen Materie auf ein anderes Teilchen trifft, dramatisch erhöht. Aber im Laufe der Zeit breitete sich das Universum aus und diese Wechselwirkungen wurden seltener.

Es gibt eine bestimmte hypothetische Wechselwirkung, die in astrophysikalischen Modellen ein Universum mit 84% dunkler Materie erzeugt: Wenn Teilchen der Dunklen Materie, die miteinander kollidieren, Teilchen der gewöhnlichen Materie bilden würden, würde dies die Menge der Dunklen Materie in der Materie verringern Universum im Laufe der Zeit. Eine Wechselwirkung, die in eine Richtung erfolgen kann, kann jedoch auch in die andere Richtung erfolgen, sodass leuchtende Partikel manchmal kollidieren und dunkle Materie bilden.

Im Laufe der Zeit, sagte Slatyer, würden diese beiden Wechselwirkungen die Dunkle Materie in ein Gleichgewicht bringen, sagte Slatyer. Sobald Sie dieses allgemeine Bild akzeptiert haben, können Sie die Eigenschaften der Dunklen Materie berechnen, die zu unserem Universum mit 84% dunkler Materie geführt hätten. 

“Wenn Sie diese Berechnung durchführen, stellen Sie fest, dass es ziemlich konsistent mit [was passieren würde] wäre, wenn dunkle Materie eine ähnliche Masse wie die schwersten [leuchtenden] Teilchen hätte … und mit einer Stärke interagiert, die mit der schwachen Kernkraft vergleichbar ist”, sagte sie sagte.

(In diesem Rahmen interagiert es wahrscheinlich mit der schwachen Kernkraft. Die Physiker lassen jedoch die Möglichkeit offen, dass es mit einer unbekannten Kraft interagiert, die der schwachen Kraft sehr ähnlich ist.)

Wenn Teilchenphysiker wissen, dass der Massenbereich zusammenbricht, erzeugen sie Photonen (Lichtteilchen) mit zehn oder Hunderten von Gigaelektronvolt (GeV) Energie.

“Und Photonen mit zehn oder Hunderten von GeV Energie nennen wir Gammastrahlen “, sagte sie.

Wenn WIMPs da draußen sind und gelegentlich ineinander stoßen, sollten sie ein schwaches Gammastrahlenlicht erzeugen, das Forscher theoretisch erkennen könnten. Suche nach diesen Spuren

Aus diesem Grund stützt sich ein Großteil von Slatyers Jagd auf dunkle Materie stark auf Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA. Ein Bereich, in dem sie nach Gammastrahlen jagt, befindet sich in der nächsten Gruppe dunkler Materie, die wir kennen: dem dichtesten Teil des Halos der Milchstraße, direkt in der Nähe ihres Zentrums.

Das Problem ist, dass das Zentrum der Milchstraße viele andere Gammastrahlenquellen hat, von denen wir einige nicht kennen. Um die von dunkler Materie kommenden Gammastrahlen zu identifizieren, müssen die Forscher zunächst genau modellieren, wie das Gammastrahlensignal von dunkler Materie aussehen soll. Dann brauchen sie ein “Hintergrundmodell” – ein detailliertes Bild aller anderen bekannten Gammastrahlenquellen, die aus diesem Teil des Himmels kommen. Das ist alles, was sie ignorieren müssen.

Wenn Slatyer und ihre Kollegen jemals ein Foto der dunklen Materie der Milchstraße machen, werden sie dies tun, indem sie eine große Anzahl von Gammastrahlenphotonen untersuchen, die aus diesem Teil des Weltraums detektiert wurden, und alle Photonen subtrahieren, die ohne dunkle Materie erklärt werden können. Modelle schlagen vor, dass die Lösung nur einen kleinen Rest hinterlassen sollte – gemessen in einigen Dutzend einzelnen Gammastrahlenteilchen über ein Jahrzehnt von Fermi-Beobachtungen der Milchstraße -, der aus Wechselwirkungen mit dunkler Materie stammt.

Anfang der 2010er Jahre dachten Slatyer und ihre Mitarbeiter, sie hätten diesen winzigen Überschuss gefunden. Eine sorgfältige Untersuchung der Fermi-Daten aus dem Milchstraßenzentrum deutete auf eine vage, bauchige Form im Gammastrahlenspektrum hin.

“Es sah fast aus wie ein Fuzzy-Ei”, sagte sie.

Das entsprach genau dem erwarteten Bild des Heiligenscheines der Milchstraße.

Aber im Laufe der Zeit verfeinerten sie ihr Bild von diesem Überschuss wie eine Kamera, die langsam scharf wird. Schließlich sahen sie, dass die Form scharfe Kanten und eine eingeklemmte Taille hatte, eher wie eine Sanduhr als der erwartete unscharfe Fleck. Die Erklärung: ein Abfluss von Lichtmaterie aus der Region um das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie, die Spur einer Explosion in den letzten zehn Millionen Jahren. Sie nannten diese nie zuvor gesehenen Strukturen die “Fermi-Blasen”.

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Jetzt, sagte Slatyer, konzentrieren sie und ihre Kollegen sich auf einen neu entdeckten Überschuss an Gammastrahlen, der in Fermi-Daten entdeckt wurde. Es ist schwach, scheint aber genau zu diesem unscharfen Ballbild zu passen.

Auch hier sind sich die Forscher nicht sicher, ob sie auf ein Signal dunkler Materie oder eine andere nie zuvor gesehene Hintergrundquelle gestoßen sind. Der Überschuss entspricht dem Signal, das von kollidierenden WIMPs erwartet wird, könnte aber auch durch eine unbekannte Population von Millisekundenpulsaren erklärt werden – winzige Neutronensterne, die mit unglaublicher Geschwindigkeit wirbeln. Es gibt viele Millisekunden-Pulsare in der Milchstraße, aber dies würde viel mehr von ihnen erfordern als erwartet, verteilt um das galaktische Zentrum. 

Jetzt, sagte Slatyer, ist die Jagd nach diesen Pulsaren eröffnet. “Hot Spots” in den Gammastrahlen- oder Radiowellenbildern des Himmels oder Hinweise auf Pulsationen in den schlanken Daten lassen darauf schließen, dass die Forscher erneut versehentlich ein neues galaktisches Objekt entdeckt haben, das keine dunkle Materie ist.

“Wenn Sie mir eine dichte Population von Pulsaren in dieser Region zeigen würden, würde ich sehr gerne sagen, dass der Überschuss von Pulsaren stammt”, sagte sie.

Wenn diese Entdeckung kommt, könnte sie in den nächsten Jahren dank MeerKAT kommen, einem Radioteleskop-Array in Südafrika, das in der Lage sein sollte, einzelne Pulsare in diesem Teil des Weltraums zu finden. Stattdessen zu beweisen, dass der Überschuss dunkle Materie ist, wäre schwieriger und würde viel länger dauern.

“Als Teilchenphysiker würde ich mich natürlich freuen, wenn es dunkle Materie wäre”, sagte sie.

Aber es ist möglich, sagte sie, dass dieser Überschuss und der nächste und der nachfolgende sich als andere Merkmale des Universums herausstellen, nach denen niemand gesucht hatte. Das ist vielleicht keine dunkle Materie, aber es ist immer noch ziemlich großartig.

“Das ist eines der Dinge, die ich an diesem Bereich wirklich mag”, sagte sie. “Es ist ein wenig undankbar, wie ‘Nein, Universum! Du hast mir nicht die Entdeckung gegeben, die ich wollte!'”

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