Erster Test von alternativer Gravitationstheorie stellt Dunkle Materie in Frage
Die Verzerrung des Lichts einer entfernten Galaxie durch wird durch die Masse in einem Galaxienhaufen im Vordergrund erzeugt. Aus der Verzerrung lässt sich die Massenverteilung bestimmen, dabei tritt eine Diskrepanz zwischen beobachteter Materie und bestimmter Masse auf.
Copyright: NASA
Leiden (Niederlande) – Während das hypothetische Konzept der Dunklen Materie, die zwar bis zu 27 Prozent der Gesamtmaterie unseres Universums ausmachen soll, jedoch unsichtbar ist und mit normaler Materie alleine durch ihre Schwerkraft interagiert, von der Mehrheit der Physiker anerkannt wird, zweifeln andere wiederum an ihrer Existenz.
Eine schon seit Jahren kontrovers diskutierte Theorie erklärt nicht nur, dass Dunkle Materie nicht notwendig sei, um die beobachtete überschüssige Gravitation im Universum zu erklären, sondern auch, dass unser auf Einstein basierendes Verständnis von Schwerkraft wäre demnach grundsätzlich falsch sei (…GreWi berichtete). Ein erster Test diese kontroversen Theorie durch niederländische Wissenschaftler ist nun im Sinne dieser positiv verlaufen du stellt somit die Existenz Dunkler Materie – und damit auch eine der Grundlagen der Einsteinschen Relativitätstheorie – in Frage.
Tatsächlich gibt es nach bisheriger Vorstellung in dem von uns beobachtbaren Universum mehr Gravitation als diese mit aller sichtbaren Materie und Gasen erklärt werden kann. Die traditionelle Physik erklärt dieses Ungleichgewicht mit der Vorstellung von „dunkler“ (weil nicht sichtbarer und kaum – außer über ihre Gravitation – mit normaler Materie wechselwirkender) Materie. Was genau diese „Dunkle Materie“ allerdings ist und sein könnte, weiß bislang niemand zu sagen.
Die beobachtete Umlaufgeschwindigkeit von Sternen ist in den Außenbereichen von Galaxien höher, als auf Basis der sichtbaren Materie zu erwarten ist.
Copyright: Johannes Schneider (WikimediaCommons), CC-BY-SA 4.0
Da trotz gewaltiger Aufwendungen bislang jedoch noch kein Dunkle-Materie-Partikel gefunden bzw. bestätigt werden konnte (erst kürzlich erbrachte die Suche nach Spuren Dunkler Materie in der Gammahintergrundstrahlung keine Hinweise darauf, dass Dunkle-Materie-Teilchen Gammastrahlung abgeben, …GreWi berichtete), hat sich Erik Verlinde von der Universiteit van Amsterdam der Problematik auf andere Weise genähert: „Vielleicht liegt das Problem nicht bei der Dunklen Materie – vielleicht verstehen wir nur nicht wirklich, wie die Gravitation funktioniert? (…) In großen Maßstäben, scheint Gravitation nicht mehr so zu funktionieren, wie Einsteins Theorie dies vorhersagt.“ (…GreWi berichtete).
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Der Physiker argumentiert, dass Gravitation in Wirklichkeit gar keine Grundkraft der Natur ist, sondern ein sog. emergentes Phänomen – also eher ein Nebeneffekt statt die Ursache von Vorgängen im Universum – ähnlich wie Temperatur aus der Bewegung mikroskopischer Teilchen entstehe. (…GreWi berichtete)
Jetzt hat sich ein Astronomenteam um Margot Brouwer von der Universitet Leiden die Verteilung von mehr als 30.000 Galaxien genauer analysiert und Verlindes Theorie damit auf die Probe gestellt. Wie die Wissenschaftler feststellen können ihre Beobachtungen auch ohne Dunkle Materie, dafür aber auf der Grundlage von Verlindes Theorie der „modifizeirten Gravitation“ erklärt werden.
Ganz konkret haben sich Brower und Kollegen der Gravitationslinseneffekte diese Galaxien angenommen – also der Art und Weise, wie ferne, massereiche Objekte (wie Galaxien) Hintergrundlicht durch ihre Schwerkraft ablenken. Auf der Grundlage von Einsteins Theorie kann damit auch der Anteil Dunkler Materie innerhalb dieser Galaxien gemessen werden. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler vorab via ArXiv.org veröffentlicht.
Selbst zur Überraschung der Leidener Astronomen zeigte sich, dass die beobachteten Gravitationsinseneffekte, ebenso gut mit Verlindes neuem Gravitationsmodell als mit der Vorstellung der Existenz Dunkler Materie erklärt werden können.
Der Vorteil von Verlindes Theorie liegt darin, dass sie keine freien Parameter benötigt, um tatsächliche Beobachtungen zu erklären. Das Konzept der Dunklen Materie benötigt hingegn gleich vier solcher freier Parameter, um mit den Beobachtungsdaten in Übereinstimmung gebracht zu werden.
„Zwar passt das Modell der Dunklen Materie etwas besser zu den Beobachtungsdaten als Verlindes Vorhersagen“, kommentiert Brower. „Wenn man das ganze aber mathematisch betrachtet, so kommt Verlinde gänzlich ohne freie Parameter aus, wie sie das Dunkle-Materie-Konzept benötigt. Damit passt wiederum Verlindes Modell etwas besser zu den Beobachtungen.
„Wenn also Verlindes Modell die Beobachtungsdaten besser erklärt, wo liegt dann das Problem?“, fragt der „New Scientist“ und liefert die Erklärung gleich hinzu: „Verlindes Gravitation ist stärker und schwächst sich langsamer mit zunehmender Distanz ab als jene der Gravitationsmodelle von Newton und Einstein. Und genau das, ist das – noch milde ausgedrückt – ein Problem für die meisten Physiker und Astronomen. Tatsächlich wurden Newtons und Einsteins Gravitationstheorien bereits derart ausführlich auf die Probe gestellt und experimentell bestätigt, dass ihre Infragestellung einem naturwissenschaftlichen Sakrileg gleich kommt.“
Während also zahlreiche Wissenschaftler, wie etwa der String-Theoretiker Lubos Motl Verlindes Ideen als „Studie auf Vordiplomsniveau“ abtun, zitiert der „New Scientist“ zugleich auch den Physiker Mordehai Milgrom, auf dessen eigener „Modified-Newtonian-Dynamics-Theorie (MOND) Verlindes Arbeit teilweise beruht mit der Aussage, dass auch seine eigenen Analysen von Gravitationslinseneffekten die Vorstellung stützen, dass Dunkle Materie nicht zwingend notwendig ist, um diese zu erklären.
GreWi-Kurzgefasst
– Ein erster Test einer alternativen Theorie zur Gravitation zeigt, dass Beobachtunggsdaten zu fernen Galaxien deren Gravitationslinseneffekte besser mit der neuen Theorie erklärt werden können, als mit Newtons und Einsteins Gravitatiomodellen.
– Seit der erstmaligen Präsentation der Theorie 2010 sorgt diese für teils heftige Kontroversen in der Wissenschaftsgemeinde.
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