Orbits und Vortizität in Dunkelmaterie als Quantenwelle

Die noch unbekannte Natur der dunklen Materie (DM) im Universum stellt eine der grössten offenen Fragen der gegenwärtigen Wissenschaft dar. Obgleich kosmologische Beobachtungen die kosmische Energiedichte der DM mit hoher Präzision bestimmt haben, ist dessen Teilchennatur noch immer unbekannt. Die Standard- DM-Kandidaten sind schwach wechselwirkende, massive Teilchen von Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik, und bilden die Grundlage der stossfreien, kalten dunklen Materie (CDM). Das CDM-Modell hat sich auf grossen kosmischen Skalen im Universum bis dato als erfolgreich erwiesen, doch seine Vorhersagen auf kleineren räumlichen Skalen von Zwerggalaxien haben sich nicht bestätigt, obwohl gerade diese Galaxien viel DM enthalten. Ausserdem sagt das CDM-Modell innerhalb grosser Galaxien viele kleinräumige DM-Substrukturen voraus, und auch diese hätten indirekt schon durch Beobachtungen gefunden werden sollen. Diese Diskrepanzen stellen einen Hauptgrund dar, warum die Forschergemeinde alternative DM-Modelle untersucht. In diesem Projekt wollen wir die Eigenschaften einiger dieser alternativen DM-Kandidaten analysieren, nämlich Dunkelmaterie als Quantenwelle (QDM), d.h. DM verhält sich sogar auf galaktischen Skalen wie ein quantenmechanisches System, was wir sonst nur von der Mikrowelt kennen. Wir werden untersuchen, inwieweit die Dynamik von QDM innerhalb von Galaxien aussieht und zwar auf der Ebene individueller Bahnen ("Quantenorbits"), als auch im Hinblick kollektiver Effekte, wie die Bildung von Strömungswirbeln ("Vortices") und die Modellierung von Quantenturbulenz. Da die Dynamik der QDM - und der dunklen Materie im allgemeinen - wegen der Gravitationswechselwirkung direkt auf die Bewegungen der sichtbaren Materie wie Sterne und Gas in Galaxien zurückwirkt, können wir aus den Unterschieden in der Dynamik zwischen QDM-Modellen und dem CDM-Modell Vorhersagen machen, welche die sichtbare Materie betreffen. Diese Informationen ermöglichen dann Astronomen unsere theoretischen Vorhersagen mit Galaxienbeobachtungen zu vergleichen. Damit werden wir der Antwort auf die Frage näher kommen, ob QDM eine mögliche Lösung des Problems der dunklen Materie im Universum darstellt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden auch unser generelles Verständnis von quantenmechanischen Systemen mit Eigengravitation, und somit einiger Grundlagen der Physik, erweitern. In unserem Projekt werden wir mehrere methodische Zugänge der dynamischen Modellierung verfolgen, die aber innerhalb eines einheitlichen mathematischen Rahmens formuliert werden können. Es werden zum Grossteil analytische Berechnungen, aber auch numerische Simulationen von komplexeren Systemkonfigurationen durchgeführt werden.