Der einzige Weg wäre, die Gesetze der Schwerkraft zu ändern, aber die besten unserer Beobachtungen haben solche Änderungen festgestellt.

Der Unterschied zwischen dem Erwarteten und dem Beobachteten ist im Laufe der Jahre gewachsen, und wir sind zunehmend angespannt, diese Lücke zu schließen.
- Jeremiah P. Ostriker

Wenn Sie sich für den Kosmos, das Universum und das, was darin enthalten ist, interessieren, sollten Sie von dunkler Materie gehört haben - oder zumindest vom Problem der dunklen Materie. Lassen Sie uns kurz darauf eingehen, was Sie sehen können, wenn Sie das Universum mit Hilfe der größten Teleskoptechnologie betrachten, die die Menschheit schaffen konnte.

Nein, nicht dieses Bild. Sie können dies mit einem sehr gut bewaffneten Auge sehen: einer kleinen Region im Weltraum, die ein paar dunkle Sterne in unserer Galaxie enthält, und sonst nichts.

Wir haben nicht nur diese Region, sondern auch viele andere ähnliche mit unglaublich sensiblen Werkzeugen untersucht. Selbst für eine solche Region ohne helle Sterne, Galaxien oder berühmte Cluster und Gruppen müssen wir unsere Kameras nur für einige Zeit darauf richten. Und wenn viel Zeit vergeht, werden wir beginnen, Photonen aus unglaublich dunklen und entfernten Quellen zu sammeln. Dieses kleine Gebiet namens XDF ist das Ergebnis der Beobachtung im Hubble eXtreme Deep Field-Experiment, einer Region, die so klein ist, dass 32.000.000 benötigt werden, um den gesamten Nachthimmel solcher Regionen abzudecken. Und dennoch haben sie das Teleskop dort gesehen. Hubble.

In diesem Bild werden 5500 einzigartige Galaxien gefunden, was bedeutet, dass es im Universum mindestens 200 Milliarden Galaxien gibt. Trotz des Eindrucks, den diese Menge erweckt, ist dies immer noch nicht die beeindruckendste Entdeckung, die wir über das Universum gemacht haben, als wir die große Anzahl und Vielfalt von Galaxien, Gruppen und Clustern untersucht haben.

Überlegen Sie, was diese Galaxien zum Leuchten bringt, ob sie sich sehr nahe bei uns befinden oder in zig Milliarden Lichtjahren.

Es leuchten Sterne in den Galaxien! In den letzten 150 Jahren war eine der wichtigsten Errungenschaften der Astronomie und Astrophysik das Verständnis, wie sich Sterne während des Lebens bilden, leben, sterben und leuchten. Wenn wir das Sternenlicht einer der sichtbaren Galaxien messen, können wir sofort erkennen, welche Sterne darin vorhanden sind und wie groß ihre Gesamtmasse ist.

Denken Sie im weiteren Verlauf an diese Tatsache: Licht von Galaxien, Gruppen und Clustern gibt Auskunft über die Masse der Sterne, die in einer Galaxie, Gruppe oder einem Cluster enthalten sind. Wir können aber nicht nur Sternenlicht messen!

Wir können die Bewegung von Galaxien, die Geschwindigkeit ihrer Rotation, ihre relativen Geschwindigkeiten usw. messen. Dies gibt uns viel, denn basierend auf den Gesetzen der Schwerkraft können wir, wenn wir ihre Geschwindigkeit messen, berechnen, wie viel Masse und Materie in ihnen sein sollten!

Denken Sie darüber nach: Die Gesetze der Schwerkraft sind universell, was bedeutet, dass sie im gesamten Universum gleich sind. Das Gesetz, das das Sonnensystem regelt, sollte das gleiche sein wie das Gesetz, das die Galaxien regelt. Es stellt sich heraus, dass wir zwei verschiedene Möglichkeiten haben, die Masse der größten Strukturen im Universum zu messen:

Wir können das von ihnen ausgehende Sternenlicht messen, und da wir die Prinzipien der Funktionsweise von Sternen kennen, können wir annehmen, wie viel sie Massen enthalten.
Wir können ihre Bewegung messen und wissen, ob und wie genau sie durch die Schwerkraft verbunden sind. Anhand der Schwerkraft können wir annehmen, wie viel Masse in diesen Objekten enthalten ist.

Und wir stellen eine wichtige Frage: Konvergieren diese beiden Bedeutungen und wie viel?

Sie konvergieren nicht nur nicht, sie stehen nicht einmal in der Nähe! Wenn Sie die Masse in Sternen berechnen, erhalten Sie eine Zahl, und wenn Sie die Masse anhand der Schwerkraft berechnen, erhalten Sie eine 50-mal größere Zahl. Dies geschieht unabhängig davon, ob Sie kleine Galaxien, große Galaxien oder Gruppen und Gruppen von Galaxien untersuchen.

Es stellt sich als ziemlich wichtig heraus: Entweder sind 98% der gesamten Materie des Universums nicht in Sternen enthalten, oder unsere Vorstellung von der Schwerkraft ist falsch. Schauen wir uns die erste Option an, da wir viele Daten darüber haben.

Neben den Sternen selbst gibt es möglicherweise einige Dinge, aus denen sich die Masse der Galaxien und Cluster zusammensetzt, darunter:

Klumpen nicht leuchtender Materie wie Planeten, Monde, kleine Satelliten, Asteroiden, Eisblöcke usw.;
neutrales und ionisiertes interstellares Gas, Staub und Plasma;
schwarze Löcher;
Überreste von Sternen wie weißen Zwergen und Neutronensternen;
sehr dunkle Sterne und Zwergsterne.

Tatsache ist, dass wir eine große Anzahl solcher Objekte und die Gesamtmenge an normaler Materie (bestehend aus Protonen, Neutronen und Elektronen) im Universum aus verschiedenen unabhängigen Beobachtungen gemessen haben, einschließlich der Häufigkeit von Lichtelementen, kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, großräumigen Strukturen des Universums usw. dank Astrophysik Beobachtungen. Wir haben den Beitrag von Neutrinos sogar ziemlich genau begrenzt; und das haben wir gelernt.

Etwa 15-16% der gesamten Materiemenge im Universum bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen, und der größte Teil davon befindet sich in interstellarem (und intergalaktischem) Gas und Plasma. Möglicherweise gibt es weitere 1% in Form von Neutrinos, und der Rest liegt in der Masse vor, die nicht aus Partikeln besteht, die im Standardmodell vorhanden sind.

Dies ist das Problem der Dunklen Materie. Es ist möglich, dass das Hinzufügen einer unsichtbaren neuen Form von Materie keine Lösung ist, aber einfach die Gesetze der Schwerkraft im großen Maßstab funktionieren nicht so. Lassen Sie mich Ihnen eine kurze Geschichte des Problems der Dunklen Materie erzählen und was wir im Laufe der Zeit darüber gelernt haben.

Die Bildung großräumiger Strukturen war anfangs schlecht konzipiert. Ab den 1930er Jahren begann Fritz Zwicky, das Sternenlicht von Galaxien in Clustern sowie die Geschwindigkeit einzelner Galaxien relativ zueinander zu messen. Er bemerkte die oben erwähnte große Diskrepanz zwischen der in den Sternen vorhandenen Masse und der Masse, die vorhanden sein muss, um die Cluster miteinander zu verbinden.

Diese Arbeit wird seit fast 40 Jahren im Großen und Ganzen ignoriert.

Als wir in den 1970er Jahren damit begannen, groß angelegte kosmologische Beobachtungen wie PSCz durchzuführen, zeigten ihre Ergebnisse, dass die beobachteten Strukturen zusätzlich zum Problem der Dynamik von Zwicky-Clustern eine unsichtbare Nicht-Baryon-Massenquelle benötigten, damit diese Strukturen existieren konnten. (Diese Ergebnisse wurden seitdem durch Beobachtungen wie 2dF oben und SDSS verbessert.)

Auch in den 1970er Jahren lenkte Vera Rubins originelle und sehr einflussreiche Arbeit neue Aufmerksamkeit auf die Rotation von Galaxien und auf das Problem der dunklen Materie, das von ihnen anschaulich demonstriert wurde.

Basierend auf den bekannten Daten zum Gravitationsgesetz und Beobachtungen zur Dichte normaler Materie in Galaxien würde man erwarten, dass Sterne, die sich um ihr Zentrum drehen, ihre Geschwindigkeit verlangsamen, wenn sie sich vom Zentrum einer rotierenden Spiralgalaxie entfernen. Dies sollte an ein Phänomen in unserem Sonnensystem erinnern, wenn Merkur eine höhere Umlaufgeschwindigkeit hat, dann hat Venus diese Geschwindigkeit weniger, Mars noch weniger usw. In rotierenden Galaxien stellt sich jedoch heraus, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne konstant bleibt, wenn Sie sich mehr und mehr vom Zentrum entfernen, was darauf hindeutet, dass sie entweder mehr Masse enthält, als in normaler Materie enthalten sein kann, oder dass die Gesetze der Schwerkraft dies erfordern Verbesserungen.

Dunkle Materie war der Anführer unter den vorgeschlagenen Lösungen für dieses Problem, aber niemand wusste, ob es baryonisch war oder nicht, welche Temperatureigenschaften es hatte und ob es mit sich selbst und mit normaler Materie interagiert. Wir hatten Einschränkungen, was sie nicht konnte, und einige vielversprechende frühe Simulationen, aber nichts besonders Überzeugendes. Und dann tauchten Alternativen auf.

MOND oder MOdified Newtonian Dynamics, eine modifizierte Newtonsche Dynamik, wurde in den frühen 1980er Jahren als experimentelle und empirische Erklärung für die Rotation von Galaxien vorgeschlagen. Für kleine Strukturen im galaktischen Maßstab funktionierte es gut, konnte aber große Skalen nicht bewältigen. Sie konnte unter anderem galaktische Cluster, großräumige Strukturen und die Fülle an Lichtelementen nicht erklären.

Und obwohl Experten für Galaxiendynamik MOND verstanden, weil es die Rotationskurven von Galaxien besser erklärte als dunkle Materie, waren alle anderen sehr skeptisch und nicht umsonst.

Doppelquasar, das allererste Objekt, das einer Gravitationslinse unterzogen wurde

Zusätzlich zu Fehlern mit Strukturen, die größer als einzelne Galaxien sind, erwies sich die Theorie als unzuverlässige Gravitationstheorie. Es war nicht relativistisch und konnte die Biegung des Sternenlichts unter dem Einfluss der Masse, die Gravitationsänderung in Zeit und Rotverschiebung, das Verhalten von Doppelpulsaren oder alle anderen relativistischen Gravitationsphänomene, deren Übereinstimmung mit Einsteins Vorhersagen bestätigt wurde, nicht erklären. Der MOND Holy Grail - etwas, das die Anhänger der Dunklen Materie, einschließlich mir, forderten - war eine solche relativistische Version, die die Rotationskurven von Galaxien zusammen mit all den anderen Erfolgen in der heutigen Gravitationstheorie erklären konnte.

Kürzlich hat die NASA eine Reihe von Bildern aus dem Teleskop veröffentlicht. Hubble, der aufgrund des Phänomens der Gravitationslinse, einer Folge von Einsteins Gravitationstheorie, noch weiter in die Vergangenheit des Universums blickte. MOND kann dieses Phänomen nicht erklären, wie es beobachtet wird: für keine der Linsengalaxien mehrere Bilder, Dehnung oder die Größe der Lichtbiegung.

All dies erfordert dunkle Materie oder eine unsichtbare Massenquelle, die nicht aus einem bekannten Standardmodell von Partikeln besteht. Dies ist jedoch nicht der einzige Beweis, der Alternativen zu Einsteins Theorie oder sogar noch nicht entdeckte hypothetische Änderungen widerlegt, die es uns ermöglichen, MOND zu reproduzieren.

Im Laufe der Jahre hat die Dunkle Materie viele kosmologische Erfolge erzielt. Als sich das Verständnis der großräumigen Strukturen des Universums von schlecht nach gut verbesserte und die genaue Messung des Leistungsspektrums der Materie (oben) und der Schwankungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (unten) erschien, wurde festgestellt, dass dunkle Materie in großen Maßstäben gut funktioniert.

Mit anderen Worten, die neuen Beobachtungen entsprachen - genau wie die Beobachtungen zur Nukleosynthese des Urknalls - dem Universum, das fünfmal mehr dunkle Materie (Nicht-Baryon) enthält als gewöhnlich.

Dann wurden im Jahr 2005 Beweise entdeckt. Wir haben während der Kollision zwei galaktische Cluster gesehen, und dies bedeutete, dass wir, wenn wir die Theorie der dunklen Materie bestätigen, sehen werden, wie baryonische Materie - interstellares und intergalaktisches Gas - kollidiert und sich erwärmt und dunkle Materie und das Gravitationssignal durch sie hindurchtreten müssen und nicht langsamer werden. Unten sehen Sie die Beobachtungen im Röntgenbereich des Bullet-Clusters in Pink, auf dem die blau dargestellte Gravitationslinse überlagert ist.

Es war ein großer Sieg für die Dunkle Materie und eine große Herausforderung für alle Modelle veränderter Schwerkraft: Wenn es keine Dunkle Materie gibt, wie hätte der Cluster nach der Kollision erraten, Masse und Gas zu trennen, aber nicht davor?

Kleine Skalen sind jedoch immer noch ein Problem für die Dunkle Materie, sie erklären immer noch nicht die Rotation einzelner Galaxien sowie von MOND. Und dank seiner relativistischen Version TeVeS, die vom verstorbenen Jacob Bekenstein formuliert wurde, sieht alles so aus, als hätte MOND eine Chance.

Gravitationslinsen (durchgeführt durch gewöhnliche Materie) und einige relativistische Phänomene können mit ihrer Hilfe erklärt werden, und schließlich schien ein verständlicher Weg zwischen den beiden Theorien zu unterscheiden: Es war notwendig, ein beobachtbares Phänomen zu finden, bei dem sich die Vorhersagen von TeVeS von den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie unterscheiden würden. Überraschenderweise besteht eine solche Situation in der Natur.

Rotierende Neutronensterne - die Überreste ultramassiver Sterne, die sich in eine Supernova verwandelten und den Atomkern der Sonnenmasse zurückließen - winzige Objekte mit nur wenigen Kilometern Durchmesser. Stellen Sie sich ein Objekt vor, das 300.000 Mal schwerer als unser Planet ist und auf ein Hundertmillionstel der Erde komprimiert ist! Man kann sich vorstellen, dass in der Nähe dieser Typen die Gravitationsfelder sehr intensiv werden und uns einige der überzeugendsten Tests auf dem Gebiet der starken Felder und der Relativitätstheorie geben.

Es kommt vor, dass in einem Neutronenstern seine axialen „Strahlen“ direkt auf uns gerichtet sind und jedes Mal „pulsieren“, wenn der Stern seine Rotation beendet - und solche kleinen Objekte können dies bis zu 766 Mal pro Sekunde tun! (Bei solchen Pulsationen werden Neutronensterne Pulsare genannt). Im Jahr 2004 wurde ein noch selteneres System entdeckt: ein Doppelpulsar!

In den letzten zehn Jahren wurde der enge Gravitationstanz dieses Systems beobachtet, und Einsteins GRT wurde einem beispiellosen Test unterzogen. Sie sehen, wenn sich massive Körper in Umlaufbahnen in sehr starken Gravitationsfeldern umeinander bewegen, müssen sie eine ganz bestimmte Menge an Gravitationsstrahlung emittieren. Und obwohl wir nicht über die Technologie verfügen, um diese Wellen direkt zu messen, können wir die Abnahme der Umlaufbahnen aufgrund dieser Strahlung messen! Michael Kramer vom Radio Astronomy Institute. Max Planck war einer der Wissenschaftler, die mit diesem Fall gearbeitet haben, und hier ist, was er über die Umlaufbahnen in diesem System sagte:

Wir fanden heraus, dass dies zu einer Verringerung der Umlaufbahn um 7,12 Millimeter pro Jahr mit einem Fehler von 9 Tausendstel Millimetern führt.

Und was können TeVeS und GTR zu dieser Beobachtung sagen?

Es stimmt zu 99,95% (mit einem Fehler von 0,1%) mit der Relativitätstheorie überein und verwirft - vorbereitet - alle physikalisch bedeutsamen Inkarnationen des Bekenstein TeVeS. Wie der Wissenschaftler Norbert Wex mit beispielloser Kürze feststellte:

Aus unserer Sicht widerlegt dies TeVeS.

Tatsächlich wurde kürzlich die genaueste Simulation der Bildung von Strukturen (unter Verwendung von GR und dunkler Materie) in der Geschichte veröffentlicht, die mit allen Beobachtungen übereinstimmt, die mit unseren technischen Fähigkeiten vereinbar sind. Sehen Sie sich dieses erstaunliche Video von Mark Vogelsberger an und staunen Sie!

Und angesichts all dessen fiel der Hauptkonkurrent der Dunklen Materie aus der Konkurrenz aus. Er wurde nicht durch Dogma, Konsens oder politischen Willen getötet, sondern durch die Beobachtungen selbst: Pulsare, kollidierende Cluster, kosmische Mikrowellenstrahlung, großräumige Strukturen, Gravitationslinsen. Es ist immer noch unklar, warum sich MOND auf der Skala von Galaxien besser verhält, aber bis sie alle anderen beobachteten Phänomene erklären kann, wird sie ein Geist der Theorie bleiben.

Wie der Hauptkonkurrent der Dunklen Materie starb

Der einzige Weg wäre, die Gesetze der Schwerkraft zu ändern, aber die besten unserer Beobachtungen haben solche Änderungen festgestellt.

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