Kosmischer Kampf: Tauchen Sie ein in den Kampf zwischen dunkler Materie und modifizierter Schwerkraft – Physics World

Stellen Sie sich vor, Sie könnten mit einem Schlag und einer kleinen Änderung der Gesetze der Schwerkraft auf die gesamte dunkle Materie im Universum verzichten. Sie würden sich eines lästigen Partikels entledigen, dessen Existenz nur vermutet wird und das bisher nicht entdeckt werden konnte. Stattdessen würden Sie es durch eine elegante Theorie ersetzen, die das grundlegende Werk von Isaac Newton und Albert Einstein modifiziert.

Zumindest ist das der Traum der modifizierten Newtonschen Dynamik oder MOND. Entwickelt von einem israelischen Physiker Mordehai Milgrom und in Mexiko geborener amerikanisch-israelischer Theoretiker Jakob Bekenstein In den frühen 1980er Jahren war es ihr Gegenmittel zum populären Paradigma der „dunklen Materie“. Für sie war dunkle Materie eine unnötige und ungeschickte Ergänzung zur Kosmologie, die, wenn sie real ist, bedeutet, dass 80 % der Materie im Kosmos unsichtbar sind.

In den 40 Jahren seit seiner Erfindung werden die Errungenschaften von MOND weiterhin von der Liebesbeziehung der Kosmologie zur Dunklen Materie überschattet. MOND hatte auch Mühe, Phänomene auf Skalen zu erklären, die größer und kleiner sind als die einzelner Galaxien. Sollten wir MOND also doch ernst nehmen?

Kuriose Kurven

Unsere Geschichte beginnt in den späten 1960er- und 1970er-Jahren. Die US-Astronomen Vera Rubin und Kent Ford erkannten, dass Sterne am Rande von Galaxien genauso schnell umkreisten wie Sterne in der Nähe des Zentrums, was offensichtlich den Gesetzen der Umlaufbewegung von Johannes Kepler zuwiderlief . Sie verdeutlichten dies anhand der Rotationskurven der Galaxien, die im Wesentlichen nur ein Diagramm der Umlaufgeschwindigkeit gegenüber dem Radius vom Zentrum sind. Die Diagramme zeigten keine negative Steigung, sondern eine flache Linie. Irgendwo gab es eine zusätzliche Schwerkraft, die diese äußeren Sterne herumzog.

Dunkle Materie – eine unsichtbare Form der Materie, die so reichlich vorhanden ist, dass sie die dominierende Gravitationskraft im Universum wäre – war die beliebte Lösung. Heute ist das Konzept der Dunklen Materie eng mit unserem Standardmodell der Kosmologie verbunden und Teil unseres Verständnisses darüber, wie sich die Struktur im Universum bildet.

Das Bild, das dunkle Materie bildet, ist hübsch, aber nicht ganz klar genug für eine kleine Gemeinschaft von Physikern und Astronomen, die die Kosmologie der dunklen Materie gemieden und stattdessen MOND übernommen haben. Tatsächlich verfügen sie über zahlreiche Beweise für ihren Fall. Im Jahr 2016 Stacy McGaugh von der Case Western Reserve University hat die Rotationskurven von 153 Galaxien gemessen (Physik. Rev. Lett. 117 201101) und fanden mit beispielloser Genauigkeit heraus, dass ihre Rotationskurven durch MOND erklärt werden, ohne dass auf einen Halo aus dunkler Materie um jede Galaxie zurückgegriffen werden muss. Damit rechtfertigte er Milgroms Vorhersage.

„Ich würde behaupten, dass MOND diese Dinge besser erklärt als Dunkle Materie, und der Grund dafür ist seine Vorhersagekraft“, sagt McGaugh – ein ehemaliger Forscher auf dem Gebiet der Dunklen Materie, der jetzt ein Befürworter von MOND ist, nachdem er eine Offenbarung hatte, bei der er die Seite wechselte. Er bezieht sich auf die Tatsache, dass man, wenn man die sichtbare Masse (aller Sterne und Gase) einer Galaxie kennt, durch Anwendung von MOND berechnen kann, wie hoch die Rotationsgeschwindigkeiten sein werden. Im Paradigma der Dunklen Materie kann man die Geschwindigkeiten nicht anhand der Anwesenheit dunkler Materie vorhersagen. Stattdessen muss man die Rotationskurve der Galaxie messen, um daraus abzuleiten, wie viel Dunkle Materie vorhanden ist. McGaugh argumentiert, das sei ein Zirkelschluss und kein Beweis für dunkle Materie.

So ändern Sie die Schwerkraft

Die Gesetze der Schwerkraft zu ändern mag für viele Physiker ein Gräuel sein – so groß ist die Kraft von Newton und Einstein –, aber so abwegig ist das nicht. Schließlich leben wir in einem mysteriösen Universum voller wissenschaftlicher Rätsel. Welche dunkle Energie ist für die Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich? Warum gibt es eine Spannung bei den verschiedenen Messungen der Expansionsrate des Universums? Wie kommt es, dass sich Galaxien im frühen Universum so schnell bilden, wie das bezeugt? Hubble und James Webb-Weltraumteleskope? Forscher beschäftigen sich zunehmend mit Theorien der modifizierten Schwerkraft, um Antworten zu finden, aber nicht alle Modelle der modifizierten Schwerkraft sind gleich.

Was jede Theorie der modifizierten Schwerkraft, einschließlich MOND, tun muss, ist zu erklären, warum sie uns im alltäglichen Maßstab verborgen bleibt und nur unter bestimmten Bedingungen in Aktion tritt

Tessa Baker, eine Kosmologin und Guruin der modifizierten Schwerkraft an der Universität von Portsmouth im Vereinigten Königreich, hat ihre Karriere darauf aufgebaut, die Gesetze der Schwerkraft zu testen und nach Modifikationen zu suchen, in ihrem Fall um zu versuchen, dunkle Energie zu erklären. „MOND, ein Beispiel für eine modifizierte Gravitationstheorie, ist insofern ungewöhnlich, als es sich um eine Theorie handelt, die versucht, dunkle Materie zu ersetzen“, erklärt Baker. „Die meisten Theorien zur modifizierten Schwerkraft tun das nicht.“

Was jede Theorie der modifizierten Schwerkraft, einschließlich MOND, tun muss, ist zu erklären, warum sie uns im alltäglichen Maßstab verborgen bleibt und nur unter bestimmten Bedingungen in Aktion tritt. Physiker bezeichnen den Punkt, an dem dieser Übergang stattfindet, als „Screening“, und das ist alles ein Größenproblem.

„Der schwierige Teil ist: Wie verbirgt man die Veränderung auf Maßstäben, von denen wir wissen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie sehr gut funktioniert?“ fragt Baker. Der naheliegendste Ausgangspunkt könnte die Überlegung sein, ob die Schwerkraft auf einer Entfernungsskala variiert. In unserem Sonnensystem nimmt die Schwerkraft also nach der Regel des umgekehrten Quadrats ab, auf der Skala von Galaxienhaufen nimmt sie jedoch mit einer anderen Geschwindigkeit ab. „Das funktioniert grundsätzlich nicht“, sagt McGaugh und fügt hinzu, dass es andere Skalen gibt, die funktionieren.

Zum Beispiel eine Theorie der modifizierten Schwerkraft, mit der Baker arbeitet – bekannt als f(R) Schwere – verallgemeinert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Unter f(R) schaltet die Schwerkraft den Dunkle-Energie-Effekt in Bereichen des Weltraums ein, in denen die Dichte der Materie niedrig genug wird, beispielsweise in kosmischen Hohlräumen. Für MOND ist die Beschleunigung der Maßstab des Screening-Mechanismus. Nachfolgend wird eine charakteristische Erdbeschleunigung bezeichnet a₀ – das sind etwa 0.1 Nanometer pro Sekunde im Quadrat – die Schwerkraft funktioniert anders.

Anstatt der umgekehrten Quadratregel zu folgen, bei Beschleunigungen unten a₀ Die Schwerkraft nimmt umgekehrt proportional zur Entfernung langsamer ab. Etwas, das in der vierfachen Entfernung umkreist, würde also ein Viertel der Schwerkraft spüren, nicht ein Sechzehntel. Die dafür notwendigen geringen Erdbeschleunigungen entsprechen genau denen, die auch Sterne am Rande von Galaxien erfahren. „Also schaltet MOND diese Modifikationen bei niedrigen Beschleunigungen auf die gleiche Weise ein f(R) Die Schwerkraft schaltet ihre Modifikationen bei geringen Dichten ein“, erklärt Baker.

Konflikt und Kontroverse

MOND eignet sich hervorragend für einzelne Galaxien, aber je nachdem, mit wem Sie sprechen, schneidet es in anderen Umgebungen möglicherweise nicht so gut ab. Und insbesondere ein Misserfolg hat bereits einen der treuesten Befürworter von MOND gegen die Theorie aufgebracht.

Ein ideales Labor zum Testen von MOND ist eines, in dem keine großen Mengen Dunkler Materie zu erwarten sind, was bedeutet, dass etwaige Gravitationsanomalien einfach auf die Gesetze der Schwerkraft selbst zurückzuführen sein sollten. Große Doppelsternsysteme sind eine solche Umgebung, die aus Sternenpaaren besteht, die 500 AE oder mehr groß sind auseinander (wobei eine astronomische Einheit oder AE ist der mittlere Abstand zwischen Erde und Sonne). Bei so großen Abständen ist das von jedem Stern wahrgenommene Gravitationsfeld schwach.

Dank der Die astrometrische Weltraummission Gaia der Europäischen WeltraumorganisationAuf der Suche nach Beweisen für MOND konnten MOND-Forscherteams nun die Bewegungen großer Doppelsterne messen. Die Ergebnisse waren kontrovers und widersprüchlich im Hinblick auf das Überleben von MOND als gültige Theorie.

Ein Team, angeführt von Kyu-Hyun Chae von der Sejong-Universität in Seoul, führte eine umfassende Analyse von 26,500 Doppelsternsystemen durch und fand Umlaufbewegungen, die mit den Vorhersagen von MOND übereinstimmten (ApJ 952 128). Dies wurde durch frühere Arbeiten von Xavier Hernandez von der Universidad Nacional Autónoma de México gestützt, der die „aufregenden“ Ergebnisse von Chae lobte. Aber nicht alle sind überzeugt.

An der University of St Andrews im Vereinigten Königreich, Indranil Banik arbeitete an seinem eigenen sechsjährigen Projekt zur Messung von MOND in breiten Binärdateien. Er hatte seine Pläne veröffentlicht, bevor er seine Messungen durchführte, wobei er sich die Zeit nahm, mit anderen Experten zu sprechen und Feedback einzuholen, und seine Methode so verfeinerte, dass sich alle einig sein konnten. Banik ging davon aus, dass seine Ergebnisse zeigen würden, dass MOND real war. „Ich habe offensichtlich erwartet, dass das MOND-Szenario funktioniert“, sagt er. „Also war es in der Tat eine große Überraschung, als dies nicht der Fall war.“

In einem Ende 2023 veröffentlichten Artikel stellte Banik überhaupt keine Abweichung von der Standard-Newtonschen Schwerkraft fest (Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Die Ergebnisse waren für ihn ein solcher Hammerschlag, dass sie Baniks Welt erschütterten, und er erklärte öffentlich, dass MOND falsch lag – was ihm einige Kritik einbrachte. Warum sollten seine Ergebnisse jedoch so anders sein als die von Chae und Hernandez? „Natürlich argumentieren sie immer noch, dass da etwas ist“, sagt Banik. Allerdings steht er ihren Ergebnissen skeptisch gegenüber und verweist auf Unterschiede im Umgang mit Unsicherheiten bei ihren Messungen.

Diese Streitpunkte sind höchst technischer Natur, daher ist es vielleicht keine völlige Überraschung, dass es zu unterschiedlichen Interpretationen gekommen ist. Tatsächlich ist es für Außenstehende schwierig zu wissen, wer Recht hat und wer nicht. „Es ist sehr schwer, das zu beurteilen“, gibt McGaugh zu. „Ich fühle mich nicht einmal völlig qualifiziert, nach diesen Maßstäben zu urteilen, und ich bin viel qualifizierter als die meisten Menschen!“

Es sind nicht nur große Binärdateien, bei denen Banik sieht, dass MOND versagt. Er führt auch den Fall unseres eigenen Sonnensystems an. Einer der zentralen Grundsätze von MOND ist das Phänomen des „externen Feldeffekts“, bei dem sich das gesamte Gravitationsfeld der Milchstraße auf kleinere Systeme wie unser Sonnensystem auswirken kann. Wir sollten diesen Abdruck insbesondere auf den Umlaufbahnen der äußeren Planeten sehen. Suche nach diesem Effekt anhand von Radio-Tracking-Daten von NASA-Raumsonde Cassini, der Saturn zwischen 2004 und 2017 umkreiste, hat keine Beweise für den externen Feldeffekt auf Saturns Umlaufbahn gefunden.

„Die Leute beginnen zu begreifen, dass es keine Möglichkeit gibt, MOND mit der Nichterkennung von Effekten in den Cassini-Daten in Einklang zu bringen, und dass MOND auf Skalen unter einem Lichtjahr nicht funktionieren wird“, sagt Banik. Wenn Banik Recht hat, steht MOND in einer sehr schlechten Lage – aber es ist nicht das einzige Schlachtfeld, auf dem MONDs Krieg gegen die Dunkle Materie ausgetragen wird.

Cluster-Rätsel

Im Jahr 2006 veröffentlichte die NASA eine spektakuläres Bild zweier kollidierender Galaxienhaufen, die in ihrer Gesamtform als Bullet Cluster bezeichnet werden. Das Hubble-Weltraumteleskop lieferte hochauflösende Ansichten über den Aufenthaltsort der Galaxien, während Röntgenbeobachtungen des heißen Gases zwischen diesen Galaxien vom Röntgenobservatorium Chandra stammten. Basierend auf den Standorten der Galaxien und des Gases sowie dem Grad der Gravitationslinsenwirkung als Materie im gekrümmten Raum des Clusters konnten Wissenschaftler den Standort der Dunklen Materie im Cluster berechnen.

„Es wurde behauptet, dass der Bullet Cluster die Existenz dunkler Materie bestätigte, was als Argument gegen MOND herangezogen wurde“, sagt er Pavel Kroupa, Astrophysiker an der Universität Bonn. „Nun, es stellt sich heraus, dass die Situation genau das Gegenteil ist.“

Kroupa ist von MOND begeistert und hat es sich zum Ziel gesetzt, es auf den größtmöglichen Strukturskalen zu erforschen – großen Galaxienhaufen. In seinem Fadenkreuz steht nichts weniger als das Standardmodell der Kosmologie, umgangssprachlich als „Lambda-CDM“ oder ΛCDM bekannt (Λ bezieht sich auf die kosmologische Konstante oder die dunkle Energiekomponente des Universums, und CDM ist kalte dunkle Materie).

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Zum einen glaubt Kroupa, dass solche riesigen Galaxienhaufen bei hohen Rotverschiebungen überhaupt nicht existieren sollten, ganz zu schweigen davon, dass sie Zeit gehabt hätten, zusammenzustoßen. ΛCDM geht davon aus, dass Strukturen langsam wachsen sollten, und Kroupa argumentiert, dass dies zu langsam für das wäre, was unsere Teleskope uns zeigen: massereiche Galaxien und riesige Haufen im frühen Universum. Noch relevanter ist, dass es die Dynamik der Clusterkollisionen selbst ist, die Kroupa Hoffnung gibt. Insbesondere sagt ΛCDM voraus, dass die Geschwindigkeiten der Galaxien, die in die Gravitationsmulde des kombinierten Clusters fallen, viel niedriger sein dürften als beobachtet.

„Kollisionen von Galaxienhaufen stehen im völligen Widerspruch zu ΛCDM, während sie in eher natürlicher Übereinstimmung mit MOND stehen“, sagt Kroupa. Trotz Kroupas Begeisterung ist sich McGaugh nicht so sicher. Tatsächlich glaubt er, dass Galaxienhaufen sowohl für ΛCDM als auch für MOND ein echtes Problem darstellen.

„Es ist ein Chaos“, räumt er ein. „Für dunkle Materie sind die Kollisionsgeschwindigkeiten viel zu hoch. Menschen, die sich mit Dunkler Materie befassen, sind hin und her gegangen und haben darüber gestritten, ob die Geschwindigkeiten zu hoch sind oder nicht? Für MOND gilt, dass Galaxienhaufen auch nach Anwendung von MOND eine Massendiskrepanz aufweisen. Cluster machen mir Sorgen, weil ich einfach keinen schönen Ausweg sehe.“

Eine Theorie von allem?

Cluster und breite Binärdateien können diskutiert werden bis unendlich bis die eine oder andere Seite ihre Niederlage eingesteht. Aber die vielleicht schwerwiegendste Kritik an MOND war das völlige Fehlen eines praktikablen kosmologischen Modells. Es ist schön und gut, die Dunkle Materie in Galaxien durch eine veränderte Schwerkraft zu ersetzen, aber damit die Theorie letztendlich erfolgreich ist, muss sie alles erklären, was Dunkle Materie kann und noch mehr. Das bedeutet, dass es in Konkurrenz zu ΛCDM stehen muss, wenn es darum geht, zu erklären, was wir in der Welt sehen kosmische Mikrowelle Hintergrund (CMB) – die ursprüngliche Mikrowellenstrahlung, die das Universum erfüllt.

Der CMB wird oft als „Feuerball des Urknalls“ bezeichnet, aber er ist mehr als das. In Form subtiler Temperaturschwankungen von nur 379,000 Jahren nach dem Urknall sind darauf eingeprägt, was wir Anisotropien nennen. Sie entsprechen Regionen mit etwas höherer oder niedrigerer Dichte, die durch akustische Wellen gebildet werden, die durch das Urplasma widerhallen. Dies sind die Keime der Strukturbildung im Universum. Aus diesen Samen erwuchs das „kosmische Netz“ – ein Netzwerk aus Materiefilamenten, entlang derer Galaxien wachsen und dort, wo die Filamente aufeinandertreffen, große Galaxienhaufen entstehen.

MOND wurde entwickelt, um Rotationskurven von Galaxien zu erklären, indem man sich auf Newton und nicht auf Einstein stützte. Es dauerte weitere 20 Jahre, bis Bekenstein ein relativistisches MOND-Modell entwickelte, das auf die moderne Kosmologie angewendet werden konnte. Die so genannte Tensor-Vektor-Skalar-Gravitation (TeVeS) erwies sich als unpopulär, da sie Schwierigkeiten hatte, die Größe des dritten akustischen Peaks in den Anisotropien zu erklären, die im Standardmodell auf Dunkle Materie zurückzuführen ist, sowie Einschränkungen bei der Modellierung von Gravitationslinsen und Gravitationswellen .

Viele Leute dachten, dass das Problem eines relativistischen MOND-Modells so schwierig sei, dass es nicht möglich sei. Dann, im Jahr 2021 Constantinos Skordis und Tom Złośnik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften hat allen das Gegenteil bewiesen. In ihrem Modell führte das Duo schwerkraftmodifizierende Vektor- und Skalarfelder ein, die im frühen Universum wirken, um Gravitationseffekte zu erzeugen, die dunkle Materie nachahmen, bevor sie sich im Laufe der Zeit so entwickeln, dass sie der regulären MOND-Theorie im modernen Universum ähneln (Physik. Rev. Lett. 127 161302).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg" data-caption="Himmelsrätsel Die Planck-Mission kartierte den kosmischen Mikrowellenhintergrund. Die weithin akzeptierte Interpretation der Daten besagt, dass das Universum zu etwa 4.9 % aus gewöhnlicher Materie, zu 26.8 % aus dunkler Materie und zu 68.3 % aus dunkler Energie besteht. Die MOND-Theorie war zunächst nicht in der Lage, die Temperaturschwankungen zu erklären, die bei Missionen wie Planck aufgedeckt wurden. Im Jahr 2021 erstellten Constantinos Skordis und Tom Złośnik ein von MOND inspiriertes Modell, das den Planck-Daten genauso gut entspricht wie Modelle der Dunklen Materie. (Mit freundlicher Genehmigung von ESA und der Planck Collaboration)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -battle-between-dark-materie-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg“>

Angesichts der mühsamen Geschichte der Versuche, ein relativistisches Modell von MOND zu entwickeln, glaubt McGaugh, dass es eine „bemerkenswerte Leistung“ ist, eine solche Theorie aufschreiben zu können, die zum Mikrowellenhintergrund passt. Das Modell von Skordis und Złośnik ist nicht perfekt. Wie TeVeS hat es Schwierigkeiten, das Ausmaß des Gravitationslinseneffekts zu erklären, den wir im Universum beobachten. Banik weist auch auf die Schwierigkeiten des Modells hin und sagt, dass „es dadurch in Schwierigkeiten geriet, dass es keine gute Erklärung für Galaxienhaufen liefert“.

Baker teilt diese Bedenken. „Obwohl es für MOND ein guter Fortschritt war, das zu schaffen“, sagt er, „glaube ich nicht, dass es ausgereicht hat, um MOND wieder in den Mainstream zu bringen. Der Grund dafür ist, dass [Skordis und Złośnik] viele zusätzliche Felder hinzugefügt haben, jede Menge Schnickschnack, und es verliert wirklich an Eleganz. Es funktioniert mit dem CMB, aber es wirkt sehr unnatürlich.“

Vielleicht belasten wir die Schultern des Models zu sehr. Man könnte es nur als einen Anfang betrachten, als einen Proof of Concept. „Ob dies die endgültige Theorie ist oder sogar der richtige Weg ist, weiß ich nicht“, sagt McGaugh. „Aber die Leute haben gesagt, dass das nicht geht, und Skordis und Złośnik haben gezeigt, dass es geht, und das ist ein wichtiger Schritt nach vorne.“

MOND fasziniert, frustriert und schürt bei den Anhängern der Dunklen Materie weiterhin Verachtung. Es ist noch ein langer Weg, bis die wissenschaftliche Gemeinschaft es als ernstzunehmenden Konkurrenten zu ΛCDM betrachten kann, und es wird sicherlich dadurch erschwert, dass relativ wenige Leute daran arbeiten, was bedeutet, dass die Fortschritte langsam sind.

Aber die Erfolge, die diese Emporkömmlingstheorie hatte, sollten nicht ignoriert werden, sagt McGaugh. Zumindest sollte es die Astronomen, die mit dem Mainstream-Modell der Dunklen Materie arbeiten, auf Trab halten.

• Im zweiten Teil von Keith Coopers dreiteiliger Serie wird er einige der jüngsten Erfolge der Dunklen Materie und die großen Herausforderungen untersuchen, denen sie ebenfalls gegenübersteht

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/