Die Cassini-Sonde schwächt Astrophysiker, die nicht an die Hypothese der Dunklen Materie als Hauptbestandteil des Universums glauben wollten

Die Cassini-Sonde schwächt Astrophysiker, die nicht an die Hypothese der Dunklen Materie als Hauptbestandteil des Universums glauben wollten
Die Cassini-Sonde schwächt Astrophysiker, die nicht an die Hypothese der Dunklen Materie als Hauptbestandteil des Universums glauben wollten
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Ein Modell der Raumsonde Cassini ist im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, zu sehen.

Eines der größten Rätsel der aktuellen Astrophysik ist, dass sich die Kräfte in Galaxien scheinbar nicht addieren. Durch die Anwendung des Newtonschen Gravitationsgesetzes auf ihre sichtbare Materie rotieren Galaxien viel schneller als erwartet, obwohl diese Gesetze überall im Sonnensystem gelten.

Um die Spaltung von Galaxien zu verhindern, ist zusätzliche Schwerkraft erforderlich. Aus diesem Grund wurde die Idee einer unsichtbaren Substanz namens Dunkle Materie vorgeschlagen. Aber niemand konnte dieses Phänomen jemals wahrnehmen. Das äußerst erfolgreiche Standardmodell der Teilchenphysik enthält keine Teilchen, die dunkle Materie sein könnten: Es muss etwas ziemlich Exotisches sein.

Dies führte zu einer völlig anderen Vorstellung, dass galaktische Divergenzen stattdessen durch einen Zusammenbruch der Newtonschen Gesetze verursacht werden. Die erfolgreichste Idee ist die Milgrom- oder Mond-Dynamik, die 1982 vom israelischen Physiker Mordehai Milgrom vorgeschlagen wurde. Unsere jüngsten Untersuchungen zeigen jedoch, dass diese Theorie geschwächt ist.

Das Hauptpostulat der Mond-Theorie ist, dass sich die Schwerkraft dann anders zu verhalten beginnt als von Newton erwartet, wenn sie sehr schwach wird, beispielsweise an den Rändern von Galaxien. Die Mond-Theorie ist bei der Vorhersage der Rotation von Galaxien ohne dunkle Materie recht erfolgreich und kann weitere Erfolge vorweisen. Viele von ihnen lassen sich aber unter Wahrung der Newtonschen Gesetze auch durch Dunkle Materie erklären.

Wie stellen wir also die Mond-Theorie auf die Probe? Diese Suche verfolgen wir schon seit vielen Jahren. Der Schlüssel liegt darin, dass die Mond-Theorie das Verhalten der Schwerkraft nur bei kleinen Beschleunigungen ändert, nicht bei einer bestimmten Entfernung von einem Objekt. Am Rande eines Himmelsobjekts – eines Planeten, eines Sterns oder einer Galaxie – spüren Sie eine schwächere Beschleunigung als in seiner Nähe. Aber es ist der Grad der Beschleunigung und nicht die Entfernung, der vorhersagt, wo die Schwerkraft stärker sein sollte.

Dies bedeutet, dass sich die Auswirkungen der Milgrom-Dynamik zwar typischerweise mehrere tausend Lichtjahre von einer Galaxie entfernt manifestieren, die Auswirkungen jedoch bei Betrachtung eines einzelnen Sterns innerhalb eines Zehntels Lichtjahrs sehr deutlich werden würden. Dies ist nur ein paar tausend Mal größer als eine astronomische Einheit (AE) – der Abstand zwischen der Erde und der Sonne. Aber auch auf noch kleineren Skalen, etwa im äußeren Sonnensystem, dürften die schwächeren Effekte der Mond-Theorie nachweisbar sein.

Dies bringt uns zur Cassini-Mission, die Saturn zwischen 2004 und seinem letzten Absturz auf dem Planeten im Jahr 2017 umkreiste. Saturn umkreist die Sonne mit 10 AE (astronomische Einheit). Aufgrund einer Mond-Eigenart sollte die Schwerkraft des Rests unserer Galaxie dazu führen, dass die Umlaufbahn des Saturn geringfügig von der Newtonschen Erwartung abweicht.

Dies kann durch die Zeitmessung von Funkimpulsen zwischen der Erde und Cassini getestet werden. Da sich Cassini in einer Umlaufbahn um Saturn befand, war es möglich, die Entfernung zwischen Erde und Saturn zu messen und die Umlaufbahn des Saturns genau zu verfolgen. Doch Cassini fand in der Mond-Theorie keine Anomalie der erwarteten Art. Das Newtonsche Gesetz funktioniert für Saturn immer noch gut.

Einer von uns, Harry Desmond, hat kürzlich eine Studie veröffentlicht, die sich eingehender mit den Ergebnissen befasst. Vielleicht würde die Mond-Theorie mit Cassinis Daten übereinstimmen, wenn wir die Art und Weise anpassen würden, wie wir die Massen von Galaxien anhand ihrer Leuchtkraft berechnen? Dies würde sich auf die Erhöhung der Schwerkraft auswirken, die Mond bereitstellen muss, um den Rotationsmustern der Galaxien Rechnung zu tragen, und somit auf das, was wir für Saturns Umlaufbahn erwarten sollten.

Eine weitere Unsicherheit betrifft die Schwerkraft der umgebenden Galaxien, die nur einen geringen Einfluss hat. Die Studie zeigte jedoch, dass die Mond-Theorie angesichts der Art und Weise, wie die Mond-Theorie zur Anpassung an Galaxienrotationsmodelle funktionieren sollte, nicht auch mit Cassinis Radio-Tracking-Ergebnissen übereinstimmen kann – egal wie gut wir die Berechnungen anpassen.

Angesichts der Standardhypothesen, die von Astronomen als am wahrscheinlichsten erachtet werden und die eine Vielzahl von Unsicherheiten berücksichtigen, sind die Chancen, dass Mond mit den Ergebnissen von Cassini übereinstimmt, genauso groß wie eine geworfene Münze, die 59 Mal hintereinander auf der Vorderseite landet. Das ist mehr als das Doppelte des „5 Sigma“-Goldstandards für eine wissenschaftliche Entdeckung, was etwa 21 Münzwürfen hintereinander entspricht.

Weitere schlechte Nachrichten für Mond

Dies ist nicht die einzige schlechte Nachricht für die Mond-Theorie. Ein weiterer Test stellen große Doppelsterne dar – zwei Sterne, die mehrere tausend AE (astronomische Einheiten) voneinander entfernt ein gemeinsames Zentrum umkreisen. Die Mond-Theorie sagte voraus, dass diese Sterne einander 20 % schneller umkreisen sollten, als nach den Newtonschen Gesetzen vorhergesagt. Aber einer von uns, Indranil Banik, hat kürzlich eine sehr detaillierte Studie durchgeführt, die diese Vorhersage widerlegt. Die Wahrscheinlichkeit, dass Mond angesichts dieser Ergebnisse richtig liegt, ist die gleiche wie bei einer fairen Heads-up-Münze, die 190 Mal hintereinander landet.

Die Ergebnisse eines anderen Teams zeigen, dass die Mond-Theorie auch kleine Himmelskörper im fernen äußeren Sonnensystem nicht erklären kann. Kometen, die aus diesem Gebiet kommen, haben eine viel engere Energieverteilung als von der Mond-Theorie vorhergesagt. Auch diese Himmelskörper haben Umlaufbahnen, die im Allgemeinen nur leicht geneigt gegenüber der Ebene sind, in deren Nähe sich alle Planeten bewegen. Mond würde die Neigungen viel größer machen.

Auf Längenskalen von weniger als etwa einem Lichtjahr wird die Newtonsche Schwerkraft der Mondgravitation deutlich vorgezogen. Aber die Mond-Theorie versagt auch auf Skalen, die über Galaxien hinausgehen: Sie kann Bewegungen innerhalb von Galaxienhaufen nicht erklären. Dunkle Materie wurde erstmals in den 1930er Jahren von Fritz Zwicky eingeführt, um die zufälligen Bewegungen von Galaxien innerhalb des Coma-Clusters zu erklären, die mehr Schwerkraft benötigen, um sie zusammenzuhalten, als sichtbare Masse bereitstellen kann.

Auch die Mond-Theorie kann zumindest in den zentralen Regionen von Galaxienhaufen nicht genügend Schwerkraft liefern. Aber am Rande bringt Mond zu viel Schwerkraft mit sich. Stattdessen scheint die Annahme, dass die Newtonsche Schwerkraft mit fünfmal mehr Dunkler Materie als normaler Materie gut zu den Daten passt.

Das kosmologische Standardmodell der Dunklen Materie ist jedoch nicht perfekt. Es gibt Dinge, die er nur schwer erklären kann, von der Expansionsrate des Universums bis hin zu riesigen kosmischen Strukturen. Daher haben wir möglicherweise noch nicht das perfekte Modell. Es scheint, dass die Dunkle Materie bestehen bleibt, aber ihre Natur könnte sich von der im Standardmodell vorgeschlagenen unterscheiden. Es kann auch sein, dass die Schwerkraft tatsächlich stärker ist als wir denken – aber nur in sehr großen Maßstäben.

Letztendlich kann die Mond-Theorie, wie sie derzeit formuliert ist, nicht mehr als brauchbare Alternative zur Dunklen Materie angesehen werden. Es mag uns vielleicht nicht gefallen, aber die dunkle Seite herrscht immer noch.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf der Website von The Conversation veröffentlicht: Klicken Sie HIER

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