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Letzte Änderung / Last update: 2022-Jun-16



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Dunkle Materie – Spekulation



Dark Matter — Speculation

Der kleine Physiker und die Dunkle Materie -
wilde Spekulationen

Grundsätzliches vorweg: Dieser Text stellt KEINE exakte Wissenschaft dar. Es sind vielmehr frei flottierende Gedanken und Ideen etwa in der Art eines Brainstormings. Auf Englisch spricht man da heutzutage von shower thoughts, bloß bei mir war es nicht die Dusche, sondern mehr die bequeme Badewanne:


The little physicist and the Dark Matter —
Wild Speculations

Basics for start: This text shall NOT be considered exact science. These are more like freely fluctuating thoughts about like brainstorming. Or you may like to take them as shower thoughts, only that in my case it is not the shower, but more the comfortable bathtub:


Außerdem: Dieser Text war vorher Teil meines anderen Artikels zur Kosmologie, und zwar über die Dunkle Energie. Dort nahm der Umfang aber überhand und lenkte vom eigentlichen Thema ab, so dass ich das jetzt aufgeteilt habe.


Plus: This text had previously been a part of my other article about cosmology, about the Dark Energy. But there its size grew too big and distracted from the issue there, so I parted this now into two separate articles.


Also ich bin ja nun studierter Physiker, mit Doktortitel. Und ein Physiker, der sich nicht für Astronomie interessiert, ist kein richtiger Physiker, meine ich. Siehe auch andere Texte hier. Also habe auch ich mich mit den ungelösten Fragen dieser Zeit beschäftigt, mit Dunkler Materie und Dunkler Energie. Aber ich sage lieber deutlich dazu: Mit diesem ganzen Themenfeld hatte ich weder im Studium noch im Beruf jemals direkten Kontakt. Ich bin also eher ein Laie. Trotzdem versuche ich, gegen keine Regeln und Fakten der Physik zu verstoßen, soweit sie mir halt bekannt sind.

So I did study physics, up to my doctorate. And a physicist who is not interested in astronomy, is no real physicist in my eyes. See also other texts here. So also I tinkered around with the unsolved problems of our times, with Dark Matter and Dark Energy. Yet I better say it clearly: With this whole field of themes I never came into contact during my studies nor during my later job. So I am more or less an amateur. Still I am trying to not violate any rules or known facts of physics, as far as I know them.

Wenn Sie diesen Text auf Papier lesen und die eingefügten Weblinks nicht direkt anklicken können, hier ein Hinweis: Bei einem Wikipedia-Link [WP xyz] den Text nach dem Schlüsselwort WP in das Suchfeld rechts oben auf einer Wikipedia-Seite von Hand eintippen, dann kommt man auf die gewünschte Seite; ebenso funktioniert das mit YouTube-Videos und ihrem Schlüsselwort YT.

If you read this text on paper or can't click on the provided web links, here a hint: In case of a Wikipedia link [WP xyz] type the words after the keyword WP by hand into the search field in the upper right corner of some Wikipedia page, then it will get you to the page in question; the same way it works for YouTube videos with their keyword YT.


Dunkle Materie

Die [de-WP Dunkle Materie] ist in meinen Augen kein so arg wichtiges Problem. Man sucht da ja mit enormem Aufwand an Gehirnschmalz und Experimentierapparaturen nach Elementarteilchen, die so eine Art schwere Neutrinos sein müssten. Mangels präziserer Kenntnisse darüber nennt man sie [de-WP WIMP]s. Man sucht da schon eine ganze Weile und hat trotz des immensen Aufwands bisher rein gar nichts gefunden. (Falls die Teilchen doch noch gefunden werden, lautet ein Vorschlag für ihren Namen "Darkinos".)


Dark Matter

The [en-WP Dark Matter] is in my eyes not that big of a problem. There one searches with high effort of brain and experimental installations for new elementary particles which should be kind of like heavy neutrinos. Due to the lack of more precise knowledge, they are called [en-WP Weakly interacting massive particles] (WIMPs). The search for this goes on already for a long time, but even with immense effort there was found nothing at all yet. (If those particles are perhaps eventually found, a proposal for their name is "Darkinos".)
Meine unschuldige Theorie dafür, die ich in keiner Weise belegen kann, ist, dass dies doch alles mit herkömmlicher Materie erklärt werden kann. Man braucht ja diese zusätzliche, unsichtbare Masse, um die Rotation der Sterne um die Zentren von Galaxien zu erklären. Und dazu braucht es gewaltige Mengen an zusätzlicher Masse. Meine Annahme ist, dass die durchaus aus normaler Materie bestehen kann, nämlich aus braunen oder roten Zwergen, ausgebrannten Neutronensternen sowie vielen kleineren Schwarzen Löchern, also stellaren und primordialen Schwarzen Löchern. Oder, siehe unten, aus Unmengen normaler Neutrinos. Alle diese Objekte sind so gut wie unsichtbar für unsere Teleskope.

My innocent theory for this, which I cannot prove in any way, is that all this is still explainable by normal matter. We do need this additional, invisible mass to explain the rotation of stars around the centers of galaxies. And for this we need enormous amounts of additional mass. My assumption is that this can still consist of normal matter, for example brown or red dwarfs, burned-out neutron stars as well as many smaller black holes, stellar and primordial ones. Or, see below, of huge heap of normal neutrinos. All these objects are practically invisible for our telescopes.

Der deutsche Prof. [de-WP Günther Hasinger] hat seine eigene Theorie dazu und macht ausschließlich Schwarze Löcher zu Kandidaten (siehe Artikel "Hilfreiche Sternenfresser" in SPIEGEL 41/2020, S. 108). Weitere Links dazu:
The german Prof. [de-WP Günther Hasinger] (in German) published his own theory and sees exclusively black holes as candidates:
https://www.hawaii.edu/news/2016/05/25/are-black-holes-the-dark-matter/
https://www.quantamagazine.org/black-holes-from-the-big-bang-could-be-the-dark-matter-20200923/
https://www.wired.com/story/is-dark-matter-just-black-holes-made-during-the-big-bang/
Auf deutsch finde ich im Netz merkwürdigerweise nur vom Ex-SED-Kampfblatt "Neues Deutschland" einen Artikel (huch?):
https://www.neues-deutschland.de/artikel/1137530.dunkle-materie-sind-die-schwarzen-loecher-des-raetsels-loesung.html.

(weitere vier Meldungen, die dazu passen:
https://www.heise.de/newsticker/meldung/Forscher-halten-gigantische-Planetensysteme-um-Schwarze-Loecher-fuer-moeglich-4596443.html
https://www.fr.de/wissen/schwarzes-loch-1000-lichtjahre-erde-sonnensystem-hr6819-universum-milchstrasse-galaxie-zr-13750745.html
https://www.fr.de/wissen/planet-9-primordiales-schwarzes-loch-sonnensystem-chile-vera-rubin-observatorium-teleskop-90008661.html
https://www.heise.de/news/Citizen-Science-Amateurforscher-finden-96-Braune-Zwerge-im-Hinterhof-der-Sonne-4873623.html )

Vor allem wenn ich an die Frühphase des Universums denke, mit seiner sehr viel höheren allgemeinen Dichte und der daraus resultierenden irre hohen Sternentstehungsrate, sollte es enorm viele Sternleichen geben, deren Masse ja nicht gleich verdampft, sondern in der ein oder anderen Form weiter existiert, aber eben heute nicht mehr sichtbar und nicht mehr aktiv an irgendwelchen aktuellen Vorgängen beteiligt ist, außer natürlich durch die Wirkung ihrer Masse. Da müsste es stellare, kleine Schwarze Löcher geben, ausgebrannte (ehemals) weiße Zwerge, rote Zwerge, braune Zwerge, Neutronensterne und noch ein paar Exoten mehr. Das sind alles Himmelskörper mit beträchtlicher Masse, die sich aufsummieren könnte. Aber sie wären allesamt für normale Teleskope komplett unsichtbar.

Especially when I look at the early phase of the universe, with its much higher density and hence the resulting enormously high star generation rate, there should exist a huge number of star corpses, where their mass not just evaporates, but continues to exist in one or the other form. But these remains are simply no more visible today and no more active participants of any current processes, with the only exception of the effects from their mass. So there should exist stellar, smaller black holes, neutron stars and several exotic remains more. These are all celestial bodies with considerable masses which can add up. And still they would remain invisible for normal telescopes.

Vielleicht kann man ja den Spieß hier umdrehen: Man rechnet aus, wieviele Sternleichen man braucht, um die Dunkle Materie komplett zu ersetzen. Dadurch könnte man womöglich viel präzisere Vorstellungen von der Urphase unseres Alls gewinnen.

Perhaps you also could look at it from the other side: You calculate how many star corpses are needed to replace completely the Dark Matter. So you could possibly gain a more precise image of that initial phase of our universe.

Ich meine schon Aussagen gelesen zu haben, dass das schon untersucht sei und nicht reichen würde. Da bin ich halt skeptisch und rate, dass man vielleicht noch nicht alle in Frage kommenden Kandidaten berücksichtigt oder ihre Anzahl unterschätzt hat.

I seem to remember reading statements that all this already has been researched and been tried and that it would not suffice. There I remain skeptical and am guessing that perhaps still not all possible candidates have been considered or their number was underestimated.

Dunkle Materie braucht man also vor allem, um die Rotation von Galaxien zu beschreiben. Ohne diese zusätzliche Masse müssten die Galaxien eigentlich auseinander fliegen. Oder anders formuliert: In den Innenbezirken ist die Gravitation offensichtlich stärker als gedacht, also durch die sichtbare Materie verursacht, im Gegensatz zu den Außenbezirken der Galaxien. Man erklärt das bisher durch Ansammlungen Dunkler Materie in diesen Innenbereichen von Galaxien.

So the Dark Matter is especially needed to describe the rotation of galaxies. Without this additional mass the galaxies should disintegrate. Or seen differently: In the inner galaxy regions, the gravitation obviously is stronger than assumed considering the visible matter, in contrast to the outer regions. This is currently explained by additional masses of Dark Matter in these inner regions of galaxies.

Daher versucht man sich bisher die Dunkle Materie als eine bisher unbekannte Art von Elementarteilchen vorzustellen, als eine Art Neutrinos mit großer Masse, eben WIMPs. Bisher sind jedoch alle Versuche, solche Elementarteilchen dingfest zu machen, vergeblich geblieben. Irgendwie erinnert mich das stark an die Suche nach dem "Äther", der Anfang des 20. Jahrhunderts als Trägersubstanz für elektromagnetische Wellen wie das Licht dienen sollte. Erst das berühmte [de-WP Michelson-Morley-Experiment] wies nach, dass man diese Krücke nicht braucht.

So up to now one tries to introduce the Dark Matter as some yet unknown kind of elementary particles, as some sort of neutrinos with big mass, i. e. WIMPs. But until now all attempts at pinning down such particles were unsuccessful. Somehow this reminds me strongly of the search for the "aether" which in the early 20th century should serve as carrier substance for electromagnetic waves like light. Only the famous [en-WP Michelson-Morley Experiment] finally proved that we do not need such crutches.

Eine umfassende Übersicht über die Mengen an verschiedenen Theorien, welche Teilchen infrage kommen, bietet die Website xkcd in ihrer eigenen, typischen Art.

A sufficient overview about the number of different theories of the particles in question is offered by the web site xkcd, in its own, typical way.


Langsame Neutrinos!

Einen weiteren Ausweg sehe ich aber auch noch: Keine neue Art von [de-WP Neutrino]s, sondern die schon bekannten. Das würde uns auch [de-WP Ockhams Rasiermesser] nahelegen: Keine neuen Teilchen wären nötig. Wie man seit einiger Zeit weiß, haben die schon bekannten Neutrinos ja durchaus etwas Ruhemasse. Daher können sie sich nicht mit voller Lichtgeschwindigkeit bewegen, sondern bleiben immer darunter. Wenn sie dabei doch fast die Lichtgeschwindigkeit erreichen, gibt es die Chance, dass sie bei einer direkten Kollision mit anderen Teilchen doch in seltenen Fällen einen registrierbaren Effekt auslösen. Das wird bei allen existierenden Neutrino-Detektoren ausgenutzt.


Slow Neutrinos!

Yet I still see another escape: No new kinds of [en-WP Neutrino]s, but the already known ones. Thus we also would satisfy the rule of [en-WP Ockham's razor]: No new particles would be necessary. As is known since some time, the already known neutrinos do have some invariant mass. So they principally cannot move at full light speed, but always slower. If they nonetheless reach nearly light speed there is a chance that they cause a registerable effect in case of a direct collision with other particles. This is used in all existing neutrino detectors.

Das muss man sich wirklich auf der Zunge zergehen lassen: Man sucht nach Neutrinos, indem man deren Kollisionen mit anderer Materie detektiert, während man eigentlich davon ausgeht, dass Neutrinos so gut wie gar keine Wechselwirkungen mit anderer Materie eingehen. Aber in ganz seltenen Fällen passiert es dann doch, und dann kann man mit Riesenaufwand auch Informationen z. B. über die Herkunft der Teilchen gewinnen.

You really need to swallow that: You search for neutrinos, in that their collisions with other matter are detected, while you on the other hand know that neutrinos practically do not interact with other matter at all. Yet in very rare cases this still happens, and then you can derive also information about their origin, but that takes enormous effort.

Wie groß die Ruhemasse der Neutrinos ist, ist noch nicht genau bekannt. Ein Großexperiment dazu ist [de-WP KATRIN] in Karlsruhe. Ein aktuelles Ergebnis (engl.) besagt, dass die Masse höchstens 0,8 eV bzw. 1,5⋅10-36 kg beträgt. Das ist arg wenig, etwa 600.000-mal weniger als ein Elektron, und das ist schon ziemlich leicht.

How big the invariant mass of neutrinos is, is not yet known precisely. A big experiment to research this is [en-WP KATRIN] in Karlsruhe, Germany. A current result tells that the mass is maximum 0.8 eV or 1.5⋅10-36 kg. That is really small, about 600,000 times less than an electron, and the latter is also rather light in weight.

Messungen der Neutrino-Geschwindigkeit haben zahlreich stattgefunden, sie ergaben alle Geschwindigkeiten, die praktisch mit der Lichtgeschwindigkeit identisch waren. Ich gehe davon aus, dass hier keine "neue Physik" am Werk ist und dass deshalb die Geschwindigkeit zwangsläufig immer (wenigstens etwas) unterhalb der Lichtgeschwindigkeit liegen muss. Man muss aber bedenken, dass diese Experimente alle mit frisch erzeugten Neutrinos durchgeführt wurden und zwar mit solchen, die – aufgrund ihrer Geschwindigkeit – in der Lage waren, so eine Reaktion überhaupt auszulösen.

Measurements of the neutrino speed have often been done, they all revealed speeds practically identical to light speed. I gather that here no "new physics" is acting and that hence the speed inescapably always is (at least a bit) lower than light speed. Yet you also have to be aware that these experiments were all conducted with freshly generated neutrinos and with such ones which — because of their speed — were able to trigger such a reaction at all.

Ich stelle mir jetzt vor, dass es bei älteren Neutrinos, die schon länger unterwegs sind im All, anders liegen könnte. Direkte Kollisionen mit anderen Teilchen kommen wohl häufig vor, das ist einfach nicht zu vermeiden. Aber eine Reaktion mit Energieaustausch oder -abgabe dürfte so selten sein, dass man das vernachlässigen kann. Hmm, aber wenn sie kollidieren, passiert zwar keine Reaktion, aber rein mechanisch sollte ein Impulsaustausch wie beim elastischen Stoß stattfinden. So ein Stoßereignis ist wohl um einige Größenordnungen wahrscheinlicher als eine Reaktion. Durch den dabei stattfindenden Impulsaustausch sollten sich die Geschwindigkeiten über die Zeit angleichen, die Neutrinos sollten langsamer werden.

I now imagine that this could be different for neutrinos which are already somewhat older, longer on their way through the universe. Direct collisions with other particles should happen often, that is inevitable. But a reaction including energy exchange or loss should be so rare that this can be neglected. Hmm, but if they collide there does not happen a reaction, but just mechanically there should happen some momentum exchange like in an elastic collision. Such an event should be several magnitudes more likely than a reaction. Through the momentum exchange during these collisions the speeds should approximate over time, the neutrinos should become slower.

Neutrinos können auch schon in einer Umgebung von großen Massen wie vor allem Sternen in einer Galaxie abgelenkt werden. Ich vergleiche das mit den Swing-By-Manövern, mit denen Raumsonden an Planeten vorbeifliegen, wobei ein Impulsaustausch stattfindet. Im Endeffekt stelle ich mir vor, dass Neutrinos sich innerhalb einer Galaxie an die allgemeine Rotationsgeschwindigkeit um das galaktische Zentrum angleichen und damit diese Wolke von zusätzlicher Masse im Innenbereich einer Galaxie bilden, wie man sie sonst mit der Dunklen Materie verbindet.

Neutrinos can be deviated in a surrounding of big masses like stars in a galaxy. Compare this to swing-by maneuvers of space probes passing planets, during which a momentum exchange happens. In the end I imagine that neutrinos adapt to the general rotation speed around the galactic center and hence build this cloud of additional mass in the inner regions of a galaxy, which is else explained with the Dark Matter.

So stelle ich mir jetzt also vor, dass es Unmengen dieser bekannten Neutrinos gibt, die eben nur relativ langsam unterwegs sind, dann tragen sie so wenig kinetische Energie, dass es einfach nie zu registrierbaren Kollisionseffekten kommt! Niemand verbietet schließlich, dass diese Teilchen sich auch im Schneckentempo bewegen.

So I now imagine that there are vast numbers of these common neutrinos, which just are travelling comparably slowly. Then they carry so little kinetic energy that it just never suffices to lead to a registerable collision effect! Nobody is forbidding that these particles move at snail's pace.

Davon könnte es riesige Mengen geben, ohne dass man den Hauch einer Chance hätte, sie aufzuspüren. Ihre Masse würde sich dann doch zusammenläppern und die Dunkle Materie bilden. Womöglich sammelt diese Neutrino-Wolke die Asche sämtlicher Kernreaktionen, die jemals seit dem Urknall stattgefunden haben. Laut dem [de-WP Standardmodell] zerfallen Neutrinos ja nicht und haben eine unbegrenzte Lebensdauer. (Das ist der aktuelle Stand, mir ist nicht klar, ob diese unbegrenzte Lebensdauer schon als endgültige Tatsache feststeht.)

Of these, enormous amounts could exist without any chance at all to get detected. Their mass could add up and build the Dark Matter. Perhaps this neutrino cloud gathers the ashes of each and every nuclear reactions which have happened since the big bang. After the [en-WP Standard Model] neutrinos do not decay and have an unlimited life span. (This is the current state of science, I am not sure whether this unlimited life span already is considered a finally accepted fact.)

Das wäre doch ein schöner Kernsatz:

"Wolken von Neutrinos bildeten sich als Asche sämtlicher
Kernreaktionen, die seit dem Urknall stattfanden,
und bilden jetzt die Dunkle Materie."

This could become a nice core sentence:

"Clouds of neutrinos, formed as ashes of all nuclear reactions
which happened since the big bang, now act as the Dark Matter."

Wie diese Neutrinomengen entstanden sein könnten, und das müsste ja auch direkt beim oder kurz nach dem Urknall passiert sein, womöglich auch schon während der Inflationsphase, weiß ich allerdings auch nicht genau.

How theses masses of neutrinos were created, and that should also have happened during or shortly after the big bang, perhaps also already during the inflation phase, I really do not know.

Ein Gegenargument ist, dass Neutrinos nach ihrer Entstehung – bei einem Zerfall oder anderen Kernreaktion – immer fast mit Lichtgeschwindigkeit losfliegen. Damit erreichen sie locker die zweite kosmische Geschwindigkeit, um dem Gravitationsfeld einer Galaxie zu entkommen. Es bleibt aber das Argument, dass sie eine Ruhemasse aufweisen und dadurch irgendwann eingefangen werden können, womöglich auch von der Wolke aus noch älteren Neutrinos und das in einer ganz anderen Galaxie. Außerdem könnte hier wiederum die Frühphase des Universums eine Rolle spielen mit ihrer durchschnittlich viel höheren Massendichte, wo die Neutrinos eher eingesammelt worden sein könnten. Vielleicht ist meine angenommene Neutrinowolke um die Galaxienkerne herum schon damals entstanden und wird heute kaum noch vermehrt.

A counter argument is that neutrinos after their generation — through some decay or other nuclear reaction — always fly away with nearly light speed. So they easily surpass the second cosmic velocity to escape the gravitational field of a galaxy. Yet the argument remains that they own an invariable mass and therefore eventually can get captured, perhaps by that cloud of even older neutrinos or all this in a totally different galaxy. And here again the initial phase of the universe might play a role with its much higher mass density where the neutrinos could have been gathered. Perhaps my assumed neutrino cloud around the galaxy cores developed already back then and doesn't get increased much more today.

Im noch etwas größeren Maßstab macht man die Dunkle Materie auch verantwortlich für die Strukturierung von Galaxienansammlungen in Filamenten und großen, sehr leeren Blasen dazwischen. Wie schon oben angeführt, könnte auch das mit den hier vorgestellten Ideen abgedeckt werden.

In an even bigger scale the Dark Matter also is considered responsible for the structuring of galaxy gatherings in filaments and huge, very empty voids between them. As already mentioned above, this all possibly could also get covered by the ideas presented here.

Aber wie am Anfang vorangestellt: Das ist alles vorerst pure Spekulation. Und aus heutigem Stand der Physik sehe ich auch keine Möglichkeit, wie man das in verifizierbaren Messungen nachweisen könnte.

But as stated at the top: This is currently all pure speculation. And from the current state of physics I also do not see any possibilities how one could prove this in verifyable measurements.


erstmals formuliert: 06. August 2019





first wording: 06 August 2019







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