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Eine bahnbrechende neue Studie, veröffentlicht in natürliche Astronomie schlägt vor, dass das Studium einer Atomuhr auf einem Raumschiff, das in der Umlaufbahn von Merkur in der Nähe der Sonne kreist, der Schlüssel zur Enträtselung der Geheimnisse der Dunklen Materie sein könnte. Die Forschung bietet einen potenziell revolutionären Ansatz zum Verständnis dieser schwer fassbaren und rätselhaften Substanz, von der angenommen wird, dass sie einen Großteil des Universums ausmacht.
Das Studium einer Atomuhr an Bord eines Raumfahrzeugs in der Umlaufbahn von Merkur und sehr nahe an der Sonne könnte der Trick sein, um die Natur der Dunklen Materie aufzudecken, schlägt eine neue Studie vor, die in veröffentlicht wurde natürliche Astronomie.
Dunkle Materie macht mehr als 80 % der Masse des Universums aus, ist aber trotz jahrzehntelanger experimenteller Bemühungen bisher der Entdeckung auf der Erde entgangen. Ein Schlüsselelement dieser Forschung ist eine Annahme über die lokale Dichte von schwarze Materie, die die Anzahl der Teilchen der Dunklen Materie bestimmt, die den Detektor zu einem bestimmten Zeitpunkt passieren, und damit die experimentelle Empfindlichkeit. In einigen Modellen kann diese Dichte viel höher sein als gewöhnlich angenommen, und dunkle Materie kann in einigen Regionen stärker konzentriert sein als in anderen.
Eine wichtige Klasse der experimentellen Forschung ist die, die Atome oder Kerne verwendet, da diese eine unglaubliche Empfindlichkeit gegenüber Signalen aus dunkler Materie erreicht haben. Dies ist zum Teil möglich, weil Teilchen der Dunklen Materie, wenn sie sehr kleine Massen haben, Schwingungen in den Konstanten der Natur induzieren. Diese Schwankungen, zum Beispiel in der Masse des Elektrons oder der Wechselwirkungsstärke der elektromagnetischen Kraft, verändern die Übergangsenergien von Atomen und Kernen auf vorhersagbare Weise.
Künstlerische Darstellung einer Weltraum-Atomuhr, die zur Entdeckung dunkler Materie verwendet wurde. 1 Punkt: Kavli IPMU
Ein internationales Forscherteam, Projektforscher Joshua Eby vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), University of California, Irvine, Postdoktorand Yu-Dai Tsai und Professor Marianna S. Safronova von der University of Delaware, sahen das Potential in diesen oszillierenden Signalen. Sie behaupteten, dass in einer bestimmten Region des Sonnensystems, zwischen der Umlaufbahn des Merkur und der Sonne, die Dichte der Dunklen Materie extrem groß sein kann, was eine außergewöhnliche Empfindlichkeit gegenüber oszillierenden Signalen bedeuten würde.
Diese Signale könnten von Atomuhren aufgenommen werden, die durch sorgfältige Messung der Frequenz von Photonen arbeiten, die während der Übergänge verschiedener Zustände in Atomen emittiert werden. Ultraleichte Dunkle Materie in der Nähe des Uhrenexperiments könnte diese Frequenzen verändern, da die Oszillationen der Dunklen Materie die Photonenenergie leicht erhöhen und verringern.
„Je mehr Dunkle Materie sich um das Experiment herum befindet, desto stärker sind diese Oszillationen, sodass die lokale Dichte der Dunklen Materie bei der Analyse des Signals sehr wichtig ist“, sagte Eby.
Während die genaue Dichte der Dunklen Materie in der Nähe der Sonne nicht gut bekannt ist, sagen die Forscher, dass selbst eine Suche mit relativ geringer Empfindlichkeit wichtige Erkenntnisse liefern könnte.
Die Dichte der Dunklen Materie wird im Sonnensystem nur durch Informationen über die Umlaufbahnen der Planeten begrenzt. In der Region zwischen Sonne und Merkur, dem sonnennächsten Planeten, gibt es fast keine Einschränkungen. Eine Messung an Bord eines Raumfahrzeugs könnte also schnell die globalen Grenzen der Dunklen Materie in diesen Modellen aufzeigen.
Die Technologie, um ihre Theorie zu testen, existiert bereits. Eby sagt das NASA-Parker-Sonnensondedas seit 2018 mit Hilfe von Abschirmungen in Betrieb ist, näher an die Sonne gereist ist als jedes von Menschenhand geschaffene Schiff in der Geschichte und derzeit in der Umlaufbahn von Merkur operiert, mit Plänen, der Sonne innerhalb eines Jahres noch näher zu kommen.
Atomuhren im Weltraum sind bereits aus vielen anderen Gründen als der Suche nach dunkler Materie gut motiviert.
“Langstrecken-Weltraummissionen, einschließlich möglicher zukünftiger Missionen für[{” attribute=””>Mars, will require exceptional timekeeping as would be provided by atomic clocks in space. A possible future mission, with shielding and trajectory very similar to the Parker Solar Probe, but carrying an atomic clock apparatus, could be sufficient to carry out the search,” said Eby.
Details of their study were published in Nature Astronomy on December 5.
Reference: “Direct detection of ultralight dark matter bound to the Sun with space quantum sensors” by Yu-Dai Tsai, Joshua Eby and Marianna S. Safronova, 5 December 2022, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-022-01833-6