Die Verschmelzung von Neutronensternen setzte den Alternativen von Dunkler Materie und Dunkler Energie ein Ende

In den letzten Augenblicken der Fusion senden zwei Neutronensterne nicht nur Gravitationswellen aus - es gibt eine Explosion katastrophaler Energie, die über das gesamte elektromagnetische Spektrum reagiert. Der Unterschied in der Ankunftszeit zwischen Licht- und Gravitationswellen ermöglicht es uns, viel über das Universum zu lernen

Fragen Sie den Astrophysiker nach dem größten Geheimnis des heutigen Universums - und die beiden häufigsten Antworten sind „Dunkle Materie“ und „Dunkle Energie“. Woraus alles auf der Erde besteht, Atome, die wiederum aus fundamentalen Teilchen bestehen, machen nur 5% des kosmischen Energiebudgets aus. Und entweder sind 95% der Energie des Universums in diesen beiden Formen enthalten, in Form von dunkler Materie und dunkler Energie, die bis heute nicht direkt beobachtet wurden, oder etwas radikal Falsches an unserer Vorstellung vom Universum. Alternativen zu diesen Theorien werden seit geraumer Zeit untersucht, und ihre verschiedenen Varianten haben zu leicht unterschiedlichen physikalischen Konsequenzen geführt. Nachdem wir zum ersten Mal die Fusion von Neutronensternen beobachtet und Signale in Form von Gravitationswellen und Licht eines ziemlich breiten Spektrums empfangen hatten, wurde ein großer Teil dieser Alternativen abgelehnt. Dunkle Materie und dunkle Energie haben den Test des Experiments bestanden.


Der ultramassive dynamische galaktische Cluster Abell 370 , dessen Gravitationsmasse (und zum größten Teil dunkle Materie) blau markiert ist

In der Astrophysik und Kosmologie gibt es mehrere wichtige Rätsel, die dunkle Materie und dunkle Energie lösen sollten. Im Teil der Dunklen Materie sind sie hauptsächlich mit der Bildung, Rotation und Akkumulation von Galaxien verbunden, und im Teil der Dunklen Energie sind sie mit der Geschwindigkeit der Expansion des Universums und seiner zeitlichen Entwicklung verbunden. Einige der Beobachtungen können durch eine kleine Verfeinerung der Gravitationstheorie gerechtfertigt werden, und dies erfordert keine dunkle Materie und dunkle Energie. Die Leute, die an diesen Verbesserungen arbeiten, hoffen, dass sie eine finden, die richtige - eine, die auch neue Vorhersagen treffen kann, die sich von denen der Theorien der Dunklen Materie und der Dunklen Energie unterscheiden - und dass sie verifiziert werden können.


Die Bildung des kosmischen Netzes wird durch dunkle Materie gesteuert, und die Strukturen im größten Maßstab werden durch die Expansionsgeschwindigkeit und die dunkle Energie gesteuert. Kleine Strukturen entlang der Stränge entstehen durch den Zusammenbruch gewöhnlicher Materie, die elektromagnetischen Wechselwirkungen ausgesetzt sind.

Aber eine Modifikation der Schwerkraft, sei es der Versuch, dunkle Materie oder dunkle Energie zu erklären (ganz zu schweigen davon, beide Theorien gleichzeitig zu erklären), ist ein Spiel, das sehr sorgfältig gespielt werden muss. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie wurde bereits umfassend getestet und ihre Vorhersagen wurden jedes Mal erfüllt. Indem Sie die Schwerkraft modifizieren, ändern Sie diese Theorie. Dies muss getan werden, um nicht allen bereits gemachten Beobachtungen und Messungen zu widersprechen. Infolgedessen gingen viele der Variationen der Änderungen in einen noch nicht sehr gut getesteten Bereich: einen Bereich, in dem sich die Geschwindigkeit der Schwerkraft ändern kann. In Einsteins Theorie ist die Geschwindigkeit der Schwerkraft immer und genau gleich Licht. Aber viele alternative Theorien ändern diese Annahme.


Die Großprojektion in der Illustris-Projektsimulation mit einem Versatz von z = 0, zentriert auf dem massereichsten Cluster in einer Tiefe von 15 Mpc / h [h ist der dimensionslose Hubble-Parameter / ca. übersetzt.]. Demonstriert den Übergang der Dichte der Dunklen Materie (links) zur Dichte des Gases (rechts). Die Konfiguration großräumiger Strukturen des Universums kann nicht ohne dunkle Materie erklärt werden, obwohl Versuche unternommen werden, die Schwerkraft zu modifizieren.

Es wird allgemein angenommen, dass dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist und dass die Lichtgeschwindigkeit und die Schwerkraft ebenfalls konstant sind (und einander gleich sind). Alternative Formulierungen fügen etwas Komplexeres hinzu: ein Skalarfeld oder eine Reihe zusätzlicher Felder. Dies ist der übliche Ort für Modifikationsmodelle - wie die galiläische Kovariante , die massive Schwerkraft, die Schwerkraft mit massiver Graviton , die Einstein-Äther-Theorie , die Tensor-Vektor-Skalar-Schwerkraft und die Khorava-Schwerkraft . In vielen Fällen unterscheidet sich die Schwerkraft abhängig von der Wechselwirkung des Skalarfelds mit dem Standardgravitationsfeld (Tensorfeld) der Allgemeinen Relativitätstheorie entweder von der Lichtgeschwindigkeit oder von zeitlichen Änderungen. Die Tatsache, dass Gammastrahlen und Gravitationswellen aus dem Ereignis GW170817 der Neutronensternfusion mit einer Differenz von 1,7 s auftraten, bedeutet, dass die Schwerkraft gleich der Lichtgeschwindigkeit mit einem Fehler von nicht mehr als ^{10-15 sein sollte} .


Alle masselosen Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, einschließlich Photonen, Gluonen und Gravitationswellen, und tragen elektromagnetische, starke Kern- bzw. Gravitationswechselwirkungen. Das praktische Zusammentreffen der Ankunftszeit von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen von GW170817 ist äußerst wichtig.

Infolgedessen wurde eine große Anzahl von Alternativen zur Standard-GTR mit Standard-Dunkelnergie widerlegt . Die Tatsache, dass der Unterschied von 1,7 s zwischen einem Licht- und einem Gravitationssignal in einer Entfernung von 130 Millionen Lichtjahren so gering ist, bedeutet, dass sich die Schwerkraftgeschwindigkeit nicht mit der Zeit ändern kann oder systematisch größer oder kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ist. Wenn Sie der Tensortheorie der Schwerkraft ein Skalarfeld hinzufügen, erhalten Sie zwei Haupteffekte:

• Es erscheint ein Tensorterm mit zusätzlicher Geschwindigkeit, der die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen erhöht.
• Die effektive Planck-Massenskala ändert sich auf Raum-Zeit-Mashabs, wodurch sich die Dämpfung von Gravitationswellen während der Expansion des Universums ändert.

Die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit und die Schwerkraft mit einer solchen Genauigkeit gleich sind, zeigt, dass alle Theorien mit Modifikationen dieses Typs ernsthaft eingeschränkt sind und dass die meisten dieser Modelle tatsächlich widerlegt werden.


Viele Modifikationen der Schwerkraft, die dunkle Energie zurückweisen, wurden durch die Ankunftszeit von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen widerlegt.

Bei dunkler Materie waren die Versuche, eine modifizierte Schwerkraft zu erzeugen, noch schlimmer . Die meisten Modifikationen ändern das Gesetz der Wechselwirkung massereicher Objekte, wodurch sich das Gravitationspotential in den Regionen der raumzeithaltigen Masse ändert. Wenn Objekte, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, wie Photonen oder Gravitationswellen, diesen Raum passieren, werden diese Signale gemäß den Regeln der allgemeinen Relativitätstheorie verlangsamt: dem Shapiro-Effekt . In einer Entfernung von 130 Millionen Lichtjahren sollte die im Weg stehende Materie dieses Signal um etwa drei Jahre verzögern, wenn die Standardidee der Dunklen Materie wahr ist. Wenn Sie jedoch die Schwerkraft ändern, um dunkle Materie loszuwerden, werden Sie die Eigenschaften der Ausbreitung von Gravitationswellen durch den Raum ernsthaft ändern.


Wenn Licht, Gravitationswellen oder ein masseloses Teilchen einen Raumbereich passieren, der eine große Menge Materie enthält, wird der Pfad aufgrund der Verzerrung dieses Raums gekrümmt, was zu einer Verzögerung der Ankunftszeit führt. In den meisten Theorien der modifizierten Schwerkraft sind die Verzögerungen für Licht- und Gravitationswellen unterschiedlich.

Modifizierte Gravitationstheorien ohne dunkle Materie wie TeVeS oder MoG / Scalar-Tensor-Vector weisen ein Merkmal auf: Gravitationswellen breiten sich in geodätischen Kurven aus - unterschiedliche Wege in der Raumzeit - anders als Photonen und Neutrinos. Kurz gesagt, Gravitationswellen müssen sich auf Wegen bewegen, die nur durch normale Materie bestimmt werden, und Photonen und Neutrinos müssen sich auf Wegen bewegen, die durch effektive Masse bestimmt werden: normale Materie insgesamt mit Effekten, die dunkle Materie emulieren. Ein solcher Unterschied würde zu einem Unterschied in der Ankunftszeit von Photonen und Gravitationswellen von ungefähr 800 Tagen führen, anstatt von 1,7 Sekunden, die in der Realität beobachtet werden.

Angesichts der Kreuzkorrelation von Gravitationswellen und elektromagnetischen Signalen werden diese Optionen ohne dunkle Materie verweigert .


Verschiedene Massenquellen in NGC 4993, wo Neutronensterne verschmolzen, und ihr Einfluss auf die Verzögerung beim Durchgang von Licht und Gravitationswellen

Wenn sich Gravitationswellen und Photonen (elektromagnetische Wellen) im Raum ausbreiten, wirken sich die Krümmung und Ausdehnung des Raums genauso auf sie aus. Das heißt, während Sie GR verwenden. Wenn Sie die Gravitationstheorie ändern, um beispielsweise zu versuchen, dunkle Materie und / oder dunkle Energie loszuwerden, beeinflussen nur Materie und ihre Masse die Gravitationswellen, und die Auswirkungen der Modifikation wirken sich auf Photonen und andere Teilchen aus. Da Gravitationswellen und Lichtsignale von verschmolzenen Neutronensternen gleichzeitig eintrafen, bewegten sie sich mit derselben Geschwindigkeit durch den Raum und erlebten dieselbe Verzögerung. Eine genaue Genauigkeit reicht aus, um führende Kandidaten für eine modifizierte Gravitationstheorie ohne dunkle Materie auszuschließen.


Karten der Röntgenstrahlung (rosa) und der Gesamtmaterie (blau) verschiedener kollidierender galaktischer Cluster zeigen eine klare Trennung zwischen normaler Materie und Gravitationseffekten - einer der überzeugendsten Beweise für die Existenz dunkler Materie. Alternative Theorien müssen jetzt so angezogen werden, dass viele sie einfach lächerlich finden.

Es gibt immer noch mehrere gespannte Modelle, die die Hoffnungen auf eine veränderte Schwerkraft bewahren - zum Beispiel nichtlokale Gravitationstheorien (bei denen Gravitationseffekte und die Anordnung von Massen nicht zusammenfallen) oder Theorien, bei denen Gravitationswellen und elektromagnetische Wellen unterschiedlichen Regeln folgen. Aber selbst diese Ideen werden durch neue Beobachtungen von Gravitationswellen ernsthaft eingeschränkt, und sie müssen immer mehr den Auswirkungen von Dunkler Materie und Dunkler Energie ähneln, um zu überleben. Die veränderte Schwerkraft ist noch nicht in Vergessenheit geraten, aber viele ihrer größten Hoffnungen sind gerade gebrochen. Einstein lebt mit seiner Theorie in ihrer ursprünglichen, unveränderten Form noch.