Diese große, unscharf aussehende Galaxie ist so diffus, dass Astronomen sie als durchsichtige Galaxie bezeichnen, weil sie entfernte Galaxien dahinter deutlich sehen können. Das als NGC 1052-DF2 katalogisierte geisterhafte Objekt weist keine auffällige Zentralregion oder gar Spiralarme und eine Scheibe auf, die typische Merkmale einer Spiralgalaxie sind. Aber es sieht auch nicht wie eine elliptische Galaxie aus, da die Geschwindigkeitsverteilung völlig falsch ist. Sogar seine Kugelhaufen sind seltsame Kugeln: Sie sind doppelt so groß wie typische Sterngruppen, die man in anderen Galaxien sieht. All diese Kuriositäten sind im Vergleich zum merkwürdigsten Aspekt dieser Galaxie verblasst: NGC 1052-DF2 ist wegen seines offensichtlichen Mangels an dunkler Materie sehr umstritten. Dies könnte ein riesiges kosmisches Rätsel lösen. (NASA, ESA UND P. VAN DOKKUM (YALE UNIVERSITY))

Die einzigen großen Probleme der Kosmologie sind hergestellte Missverständnisse

Dunkle Materie, dunkle Energie, Inflation und der Urknall sind real, und die Alternativen scheitern alle spektakulär.

Wenn Sie mit den neuesten wissenschaftlichen Nachrichten Schritt halten, sind Sie wahrscheinlich mit einer Vielzahl von Kontroversen über die Natur des Universums selbst vertraut. Dunkle Materie, von der angenommen wird, dass sie normale atomare Materie im Verhältnis 5 zu 1 überwiegt, könnte unnötig sein und durch eine Änderung unseres Gravitationsgesetzes ersetzt werden. Dunkle Energie, die zwei Drittel des Universums ausmacht, ist für die beschleunigte Expansion des Weltraums verantwortlich, aber die Expansionsrate selbst ist noch nicht einmal vereinbart. Und die kosmische Inflation wurde kürzlich von einigen als unwissenschaftlich verspottet, da einige ihrer Kritiker behaupten, sie könne alles vorhersagen und daher nichts vorhersagen.

Wenn man sie alle zusammenzählt, wie es der Philosoph Bjørn Ekeberg in seinem jüngsten Stück für Scientific American getan hat, könnte man meinen, die Kosmologie stecke in einer Krise. Aber wenn Sie ein gewissenhafter Wissenschaftler sind, ist genau das Gegenteil der Fall. Hier ist der Grund.

Wenn Sie immer weiter wegschauen, schauen Sie auch immer weiter in die Vergangenheit. Je früher du gehst, desto heißer und dichter sowie weniger entwickelt erweist sich das Universum als. Die frühesten Signale können uns möglicherweise sogar darüber Auskunft geben, was vor den Augenblicken des heißen Urknalls geschehen ist. (NASA / STSCI / A. FEILD (STSCI))

Wissenschaft ist mehr als nur eine Sammlung von Fakten, obwohl sie sich sicherlich auf die gesamte Sammlung von Daten und Informationen stützt, die wir über die Natur gesammelt haben. Die Wissenschaft ist auch ein Prozess, in dem die vorherrschenden Theorien und Rahmenbedingungen mit möglichst vielen neuartigen Tests konfrontiert werden, um die sich daraus ergebenden Vorhersagen unserer erfolgreichsten Ideen entweder zu validieren oder zu widerlegen.

Hier liegen die Grenzen der Wissenschaft: am Rande der Gültigkeit unserer führenden Theorien. Wir machen Vorhersagen, testen sie experimentell und beobachtend und schränken dann unsere Ideen ein, überarbeiten oder erweitern sie, um den neuen Informationen Rechnung zu tragen, die wir erhalten haben. Der ultimative Traum vieler ist es, die Art und Weise, wie wir uns unsere Welt vorstellen, zu revolutionieren und unsere gegenwärtigen Theorien durch noch erfolgreichere und tiefgreifendere zu ersetzen.

Lange bevor die Daten von BOOMERanG zurückkamen, zeigte die Messung des Spektrums des CMB von COBE, dass das übrig gebliebene Glühen des Urknalls ein perfekter Schwarzkörper war. Eine mögliche alternative Erklärung war das reflektierte Sternenlicht, wie das quasi-stationäre Modell vorhersagte, aber der Unterschied in der spektralen Intensität zwischen dem, was vorhergesagt und beobachtet wurde, zeigte, dass diese Alternative nicht erklären konnte, was gesehen wurde. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Es ist jedoch keine leichte Aufgabe, die Erfolge unserer führenden wissenschaftlichen Theorien zu reproduzieren, geschweige denn über ihre derzeitigen Grenzen hinauszugehen. Menschen, die in Ideen verliebt sind, die mit soliden Beobachtungen in Konflikt stehen, hatten es notorisch schwer, ihre bevorzugten Schlussfolgerungen fallen zu lassen. Dies war in der gesamten Wissenschaftsgeschichte ein wiederkehrendes Thema und umfasst:

  • Fred Hoyle, der sich fast 40 Jahre lang nach der Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds weigerte, den Urknall anzunehmen,
  • Halton Arp besteht darauf, dass Quasare keine entfernten Objekte sind, obwohl jahrzehntelange Daten belegen, dass ihre Rotverschiebungen nicht quantisiert sind.
  • Hannes Alfven und seine späteren Anhänger bestanden darauf, dass die Gravitation das Universum nicht in großem Maßstab beherrscht und dass Plasmen die großräumige Struktur des Universums bestimmen, selbst nachdem unzählige Beobachtungen die Idee widerlegt haben.

Die Wissenschaft selbst mag unvoreingenommen sein, die Wissenschaftler jedoch nicht. Wir können denselben kognitiven Vorurteilen zum Opfer fallen wie jeder andere. Sobald wir unsere bevorzugten Schlussfolgerungen gezogen haben, täuschen wir uns häufig durch die trügerische Praxis des motivierten Denkens.

Schematische Darstellung der Geschichte des Universums unter Hervorhebung der Reionisierung. Bevor sich Sterne oder Galaxien bildeten, war das Universum voller lichtblockierender, neutraler Atome. Während der größte Teil des Universums erst 550 Millionen Jahre später reionisiert wird, wenn die ersten großen Wellen in etwa 250 Millionen Jahren auftreten, können sich einige glückliche Sterne nur 50 bis 100 Millionen Jahre nach dem Urknall und mit dem Urknall bilden Mit den richtigen Werkzeugen können wir die frühesten Galaxien aufdecken. (S. G. DJORGOVSKI ET AL., CALTECH DIGITAL MEDIA CENTER)

Hierher kam zum ersten Mal der berühmte Aphorismus, dass "die Physik ein Begräbnis nach dem anderen vorantreibt". Dieser Begriff wurde ursprünglich von Max Planck mit der folgenden Aussage vertreten:

Eine neue wissenschaftliche Wahrheit triumphiert nicht, indem sie ihre Gegner überzeugt und sie das Licht erblicken lässt, sondern weil ihre Gegner schließlich sterben und eine neue Generation heranwächst, die mit ihr vertraut ist.

Das große Problem, das viele Nichtwissenschaftler (und sogar einige Wissenschaftler) niemals erkennen werden, ist Folgendes: Sie können Ihre theoretischen Ideen immer verfälschen, um zu erzwingen, dass sie realisierbar sind und den Beobachtungen entsprechen. Aus diesem Grund ist der Schlüssel für jede Theorie, im Voraus robuste Vorhersagen zu treffen: bevor die kritische Beobachtung oder Messung durchgeführt wird. Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass Sie Ihre Theorie testen, anstatt nachträglich an Parametern zu basteln.

Gemäß der Hypothese des müden Lichts sinkt die Anzahl der Photonen pro Sekunde, die wir von jedem Objekt erhalten, proportional zum Quadrat seiner Entfernung, während die Anzahl der Objekte, die wir sehen, mit dem Quadrat der Entfernung zunimmt. Objekte sollten roter sein, aber in Abhängigkeit von der Entfernung eine konstante Anzahl von Photonen pro Sekunde emittieren. In einem expandierenden Universum erhalten wir jedoch mit der Zeit weniger Photonen pro Sekunde, da sie mit der Expansion des Universums größere Entfernungen zurücklegen müssen, und die Energie wird auch durch die Rotverschiebung verringert. Sogar das Einbeziehen der Galaxienentwicklung führt zu einer Veränderung der Oberflächenhelligkeit, die in großen Entfernungen schwächer wird, was dem entspricht, was wir sehen. (WIKIMEDIA COMMONS BENUTZER STIGMATELLA AURANTIACA)

Wie sich herausstellt, haben wir genau so in dieser Hinsicht das führende kosmologische Modell erreicht, das wir heute haben.

Der Begriff des expandierenden Universums wurde theoretisch von Alexander Friedmann im Jahr 1922 vorhergesagt, als er das herleitete, was ich die wichtigste Gleichung im Universum nannte. Die Beobachtungen von Vesto Slipher, Edwin Hubble und Milton Humason bestätigten dies nur wenige Jahre später und führten zu dem modernen Begriff des expandierenden Universums.

Nach den ursprünglichen Beobachtungen von Penzias und Wilson emittierte die galaktische Ebene einige astrophysikalische Strahlungsquellen (Zentrum), während über und unter dieser Ebene ein nahezu perfekter, gleichmäßiger Strahlungshintergrund bestand. Die Temperatur und das Spektrum dieser Strahlung wurden jetzt gemessen und die Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Urknalls ist außergewöhnlich. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Es ergaben sich dann viele konkurrierende Erklärungen für den Ursprung des Universums, wobei der Urknall vier explizite Eckpfeiler hatte:

  1. das expandierende Universum,
  2. die vorhergesagten Mengen der Lichtelemente, die in der heißen, dichten Frühphase des Urknalls erzeugt wurden,
  3. ein übrig gebliebenes Glühen von Photonen, die nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen,
  4. und die Bildung einer großräumigen Struktur mit Strukturen, die sich mit der Entfernung entwickeln müssen.

Alle vier wurden nun beobachtet, wobei die letzten drei nach dem ersten Vorschlag des Urknalls auftraten. Insbesondere die Entdeckung des übrig gebliebenen Glühens von Photonen Mitte der 1960er Jahre war der Wendepunkt. Da diese vier Beobachtungen in keinem anderen Rahmen berücksichtigt werden können, gibt es jetzt keine realisierbaren Alternativen zum Urknall.

Die Fluktuationen im CMB, die Bildung und Korrelation zwischen großräumigen Strukturen und modernen Beobachtungen von Gravitationslinsen zeigen unter anderem dasselbe Bild: ein sich beschleunigendes Universum, das dunkle Materie und dunkle Energie enthält und voll davon ist. Alternativen, die unterschiedliche beobachtbare Vorhersagen bieten, müssen ebenfalls in Betracht gezogen werden, aber mit der ganzen Reihe von Beobachtungsnachweisen verglichen werden. (CHRIS BLAKE UND SAM MOORFIELD)

Mit einem sich ausdehnenden, kühlenden Universum, das aus einem heißen, dichten, von Materie und Strahlung erfüllten Zustand hervorging, der von der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins bestimmt wird, gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wie sich das Universum hätte entfalten können, aber es ist keine unendliche Nummer. Es gibt Beziehungen zwischen dem, was im Universum ist und wie sich seine Expansionsrate entwickelt, und dies schränkt das, was möglich ist, enorm ein.

Dies ist die einzige Aussage, die in Ekebergs Werk eindeutig richtig ist.

Sobald Sie den Urknall und ein Universum akzeptieren, das von der Allgemeinen Relativitätstheorie regiert wird, gibt es eine enorme Reihe von Beweisen, die auf die Existenz von Dunkler Materie und Dunkler Energie hinweisen. Auch dies ist keine neue Suite, sondern eine, die seit den 1970er Jahren auf dem Vormarsch ist. Der Hauptkonkurrent der Dunklen Energie ist vor etwa 15 Jahren ausgestorben und hat nur ein Universum mit dunkler Materie und dunkler Energie als brauchbare Kosmologie hinterlassen, um die gesamte Reihe von Beweisen zu erklären.

Einschränkungen der Dunklen Energie aus drei unabhängigen Quellen: Supernovae, CMB und BAO (die ein Merkmal der großräumigen Struktur des Universums sind). Beachten Sie, dass wir auch ohne Supernovae Dunkle Energie benötigen würden und dass nur 1/6 der gefundene Materie kann normale Materie sein; der Rest muss dunkle Materie sein. (SUPERNOVA-KOSMOLOGIEPROJEKT, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

Dies ist der Schlüssel, der so oft übersehen wird: Sie müssen alle Belege untersuchen, um den Erfolg oder Misserfolg Ihrer Theorie oder Ihres Frameworks zu bewerten. Sicher, Sie können immer einzelne Beobachtungen finden, deren Erklärung für Ihre Theorie schwierig ist, aber das bedeutet nicht, dass Sie sie einfach durch etwas ersetzen können, das diese eine Beobachtung erfolgreich erklärt.

Sie müssen alles berücksichtigen, plus die neue Beobachtung plus neue Phänomene, die noch nicht beobachtet wurden.

Das ist das Problem bei jeder Alternative. Jede Alternative zum expandierenden Universum, zum Urknall, zur Dunklen Materie, zur Dunklen Energie oder zur Inflation erklärt nicht einmal, was bereits beobachtet wurde, geschweige denn der Rest davon. Aus diesem Grund betrachtet praktisch jeder Wissenschaftler diese vorgeschlagenen Alternativen als Sandboxing und nicht als ernsthafte Herausforderung für den Mainstream-Konsens.

Die Carina-Zwerggalaxie, die in Größe, Sternverteilung und Morphologie der Draco-Zwerggalaxie sehr ähnlich ist, weist ein ganz anderes Gravitationsprofil auf als Draco. Mit dunkler Materie lässt sich dies sauber erklären, wenn sie durch Sternentstehung, nicht aber durch modifizierte Schwerkraft erwärmt werden kann. (ESO / G. BONO & CTIO)

Es gibt zwar Galaxien ohne dunkle Materie, aber dies wird theoretisch vorhergesagt. Tatsächlich bemerkte vor fast einem Jahrzehnt ein prominenter Gegenspieler das Fehlen von Galaxien ohne dunkle Materie und behauptete, dass dies das Modell der dunklen Materie verfälschte. Als diese Galaxien ohne dunkle Materie entdeckt wurden, behauptete derselbe Wissenschaftler sofort, dass sie mit der veränderten Schwerkraft vereinbar seien. Aber nur die Dunkle Materie erklärt die ganze Reihe von Beweisen, die das Universum betreffen.

In der Tat gibt es eine Diskrepanz zwischen zwei verschiedenen Gruppen, die versuchen, die Expansionsrate des Universums zu messen. Die Differenz beträgt 9% und könnte einen fundamentalen Fehler in der Technik einer Gruppe darstellen. Aufregender könnte es ein Zeichen dafür sein, dass die Dunkle Energie oder ein anderer Aspekt des Universums komplexer ist als unsere naiven Annahmen. Aber dunkle Energie ist in beiden Fällen immer noch notwendig. Die einzige „Krise“ wird künstlich hergestellt.

Ein Diagramm der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) gegen die Entfernung (x-Achse) stimmt mit einem Universum überein, das sich in der Vergangenheit schneller ausdehnte, in dessen Rezession sich jedoch entfernte Galaxien heute beschleunigen. Dies ist eine moderne Version von Hubbles Originalwerk, die tausende Male weiter reicht. Beachten Sie, dass die Punkte keine gerade Linie bilden, was auf die Änderung der Expansionsrate im Zeitverlauf hinweist. Die Tatsache, dass das Universum der Kurve folgt, die es macht, zeigt das Vorhandensein und die spätzeitliche Dominanz der dunklen Energie an. (NED WRIGHT, BASIERT AUF DEN NEUESTEN DATEN VON BETOULE ET AL. (2014))

Schließlich gibt es eine kosmische Inflation, die Phase des Universums, die vor dem heißen Urknall stattfand und die Ausgangsbedingungen für die Geburt unseres Universums herstellte. Obwohl es oft von vielen verspottet wird, sollte Inflation niemals die endgültige Antwort sein, sondern vielmehr als Rahmen dienen, um Rätsel zu lösen, die der Urknall nicht erklären kann, und um neue Vorhersagen zu treffen, die das frühe Universum beschreiben.

In dieser Hinsicht ist es spektakulär erfolgreich. Inflation:

  1. reproduziert erfolgreich alle Vorhersagen des heißen Urknalls,
  2. löst die Horizont-, Flachheits- und Monopol-Rätsel, die den nicht inflationären Urknall plagten,
  3. und machte sechs neuartige Vorhersagen, die sich von den Urknall-Vorhersagen des alten Stils unterschieden. Mindestens vier davon wurden jetzt bestätigt.
Die während der Inflation auftretenden Quantenfluktuationen dehnen sich über das Universum aus, und wenn die Inflation endet, werden sie zu Dichtefluktuationen. Dies führt im Laufe der Zeit zu einer großräumigen Struktur im heutigen Universum sowie zu den im CMB beobachteten Temperaturschwankungen. Diese neuen Vorhersagen sind unerlässlich, um die Gültigkeit eines Feinabstimmungsmechanismus zu demonstrieren. (E. SIEGEL, MIT BILDERN VON ESA / PLANCK UND DER INTERAGENZAUFGABE DOE / NASA / NSF FÜR CMB-FORSCHUNG)

Zu sagen, dass die Kosmologie einige interessante Rätsel hat, ist zwingend; Zu sagen, es habe große Probleme, dem würden die meisten Kosmologen nicht zustimmen. Ekeberg diskutiert den inflationären Urknall mit Dunkler Materie und Dunkler Energie wie folgt:

Diese bekannte Geschichte wird in der Regel trotz des relativen Mangels an empirischen Beweisen als eine selbstverständliche wissenschaftliche Tatsache angesehen - und trotz einer stetigen Zunahme von Diskrepanzen, die bei Beobachtungen des fernen Universums auftreten.

Zu behaupten, dass es keine empirischen Belege dafür gibt, ist völlig falsch, was Wissenschaft ist oder wie Wissenschaft im Allgemeinen und im Besonderen in diesem speziellen Bereich funktioniert, in dem Daten in Hülle und Fülle vorliegen und von hoher Qualität sind. Es ist eine unaufrichtige - und meines Erachtens absichtliche - Fehlinterpretation der von Ekeberg verwendeten Beweise, um eine solipsistische, philosophisch leere, anti-wissenschaftliche Agenda voranzutreiben.

Viele nahe gelegene Galaxien, einschließlich aller Galaxien der lokalen Gruppe (meistens ganz links gruppiert), weisen eine Beziehung zwischen ihrer Masse und der Geschwindigkeitsdispersion auf, die auf das Vorhandensein dunkler Materie hinweist. NGC 1052-DF2 ist die erste bekannte Galaxie, die scheinbar nur aus normaler Materie besteht. (DANIELI ET AL. (2019), ARXIV: 1901.03711)

Wir sollten uns immer der Grenzen und Annahmen bewusst sein, die jeder von uns vorgebrachten wissenschaftlichen Hypothese innewohnen. Jede Theorie hat eine Reihe etablierter Gültigkeiten und eine Reihe, in der wir unsere Vorhersagen über die bekannten Grenzen hinaus erweitern. Eine Theorie ist nur so gut wie die überprüfbaren Vorhersagen, die sie machen kann; Wir müssen nach neuen Beobachtungs- oder Experimentiergebieten suchen, wenn wir jemals hoffen wollen, unser gegenwärtiges Verständnis zu ersetzen.

Aber wir dürfen die bestehenden Erfolge der Allgemeinen Relativitätstheorie, des expandierenden Universums, des Urknalls, der Dunklen Materie, der Dunklen Energie oder der Inflation nicht vergessen oder verwerfen. Über unsere derzeitigen Theorien hinauszugehen, beinhaltet - als zwingende Voraussetzung - die Erfassung und Reproduktion ihrer Erfolge. Bis eine robuste Alternative diese Schwelle erreichen kann, sollten alle Aussagen von „großen Problemen“ mit dem vorherrschenden Paradigma als das behandelt werden, was sie sind: ideologisch motivierte Diatribien ohne den erforderlichen wissenschaftlichen Wert, um sie zu stützen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.