Die Entwicklung der großräumigen Struktur im Universum von einem frühen, einheitlichen Zustand zu einem Cluster-Universum, das wir heute kennen. Die Art und Fülle der dunklen Materie würde ein völlig anderes Universum liefern, wenn wir ändern würden, was unser Universum besitzt. (Angulo et al. 2008, über die Durham University)

Nur Dunkle Materie (und nicht modifizierte Schwerkraft) kann das Universum erklären

Es gab viele öffentliche Befürworter aus dem Lager „Keine dunkle Materie“, die viel Aufmerksamkeit in der Bevölkerung erhielten. Aber das Universum braucht immer noch dunkle Materie. Hier ist der Grund.

Wenn Sie sich alle Galaxien im Universum ansehen, messen, wo sich die gesamte Materie befindet, die Sie entdecken können, und dann herausfinden, wie sich diese Galaxien bewegen, sind Sie ziemlich verwirrt. Während im Sonnensystem die Planeten die Sonne mit abnehmender Geschwindigkeit umkreisen, je weiter Sie vom Zentrum entfernt sind - genau wie es das Gravitationsgesetz vorhersagt -, tun die Sterne um das galaktische Zentrum so etwas nicht. Obwohl sich die Masse auf die zentrale Ausbuchtung und eine ebene Scheibe konzentriert, peitschen die Sterne in den äußeren Regionen einer Galaxie mit der gleichen Geschwindigkeit um sie herum wie in den inneren Regionen und trotzen Vorhersagen. Offensichtlich fehlt etwas. Zwei Lösungen fallen mir ein: Entweder gibt es da draußen eine Art unsichtbare Masse, die das Defizit ausmacht, oder wir müssen die Gesetze der Schwerkraft ändern, wie wir es getan haben, als wir von Newton nach Einstein gesprungen sind. Während diese beiden Möglichkeiten vernünftig erscheinen, ist die unsichtbare Massenerklärung, die als dunkle Materie bekannt ist, bei weitem die überlegene Option. Hier ist der Grund.

Einzelne Galaxien könnten im Prinzip entweder durch dunkle Materie oder durch eine Änderung der Schwerkraft erklärt werden, aber sie sind nicht der beste Beweis dafür, woraus das Universum besteht oder wie es so geworden ist, wie es heute ist. (Stefania.deluca von Wikimedia Commons)

Zunächst einmal hat die Antwort nichts mit einzelnen Galaxien zu tun. Galaxien sind einige der chaotischsten Objekte im bekannten Universum. Wenn Sie die Natur des Universums selbst testen, möchten Sie eine möglichst saubere Umgebung. Es gibt ein ganzes Fachgebiet, das sich diesem Thema widmet und als physikalische Kosmologie bekannt ist. (Vollständige Offenlegung: Es ist mein Fachgebiet.) Als das Universum zum ersten Mal geboren wurde, war es fast einheitlich: fast überall die gleiche Dichte. Es wird geschätzt, dass die dichteste Region, mit der das Universum begann, weniger als 0,01% dichter war als die Region mit der geringsten Dichte zu Beginn des heißen Urknalls. Die Gravitation funktioniert sehr einfach und unkompliziert, selbst im kosmischen Maßstab, wenn es sich um kleine Abweichungen von der durchschnittlichen Dichte handelt. Dies ist als lineares Regime bekannt und bietet einen großartigen kosmischen Test sowohl für die Gravitation als auch für die Dunkle Materie.

Großprojektion durch das Illustris-Volumen bei z = 0, zentriert auf dem massereichsten Cluster mit einer Tiefe von 15 Mpc / h. Zeigt die Dichte der dunklen Materie (links) beim Übergang zur Gasdichte (rechts). Die großräumige Struktur des Universums kann nicht ohne dunkle Materie erklärt werden. (Illustris Collaboration / Illustris Simulation)

Wenn wir uns dagegen mit großen Abweichungen vom Durchschnitt befassen, werden Sie in das sogenannte nichtlineare Regime versetzt, und es ist weitaus schwieriger, Schlussfolgerungen aus diesen Tests zu ziehen. Heute kann eine Galaxie wie die Milchstraße millionenfach dichter sein als die durchschnittliche kosmische Dichte, was sie fest in das nichtlineare Regime einordnet. Wenn wir andererseits das Universum entweder in sehr großem Maßstab oder zu sehr frühen Zeiten betrachten, sind die Gravitationseffekte viel linearer, was dies zu Ihrem idealen Labor macht. Wenn Sie untersuchen möchten, ob die Änderung der Schwerkraft oder das Hinzufügen des zusätzlichen Bestandteils der Dunklen Materie der richtige Weg ist, sollten Sie prüfen, wo die Auswirkungen am deutlichsten sind und wo die Gravitationseffekte am einfachsten vorhergesagt werden können: im linearen Bereich.

Hier sind die besten Möglichkeiten, das Universum in dieser Zeit zu erforschen, und was sie Ihnen sagen.

Die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund wurden zuerst in den 1990er Jahren von COBE, dann in den 2000er Jahren von WMAP und in den 2010er Jahren von Planck (oben) genauer gemessen. Dieses Bild enthält eine Vielzahl von Informationen über das frühe Universum, einschließlich seiner Zusammensetzung, seines Alters und seiner Geschichte. (ESA und die Planck-Zusammenarbeit)

1.) Die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund. Dies ist unser frühestes wahres Bild des Universums und der Schwankungen der Energiedichte zu einem Zeitpunkt nur 380.000 Jahre nach dem Urknall. Die blauen Regionen entsprechen Überdichten, in denen Materieklumpen ihr unvermeidliches Gravitationswachstum begonnen haben und ihren Weg zur Bildung von Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen beschreiten. Die roten Regionen sind unterdichte Regionen, in denen Materie an die sie umgebenden dichteren Regionen verloren geht. Indem man diese Temperaturschwankungen betrachtet und wie sie korrelieren - das heißt auf einer bestimmten Skala. Wie groß ist Ihre durchschnittliche Schwankung von der Durchschnittstemperatur weg? Sie können sehr viel über die Zusammensetzung Ihres Universums lernen.

Die relativen Höhen und Positionen dieser akustischen Peaks, die aus den Daten im kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleitet wurden, stimmen definitiv mit einem Universum überein, das aus 68% dunkler Energie, 27% dunkler Materie und 5% normaler Materie besteht. Abweichungen sind eng begrenzt. (Ergebnisse von Planck 2015. XX. Inflationsbeschränkungen - Planck Collaboration (Ade, PAR et al.) ArXiv: 1502.02114)

Insbesondere die Positionen und Höhen (insbesondere die relativen Höhen) der sieben oben identifizierten Peaks stimmen spektakulär mit einer bestimmten Anpassung überein: einem Universum mit 68% Dunkler Energie, 27% Dunkler Materie und 5% Normaler Materie. Wenn Sie keine Dunkle Materie einbeziehen, können die relativen Größen der ungeradzahligen Peaks und der geradzahligen Peaks nicht übereinstimmen. Das Beste, was modifizierte Schwerkraftansprüche tun können, ist, entweder die ersten beiden Peaks (aber nicht den dritten oder darüber hinaus) zu erhalten oder das richtige Spektrum von Peaks zu erhalten, indem Sie auch etwas Dunkle Materie hinzufügen, was den gesamten Zweck zunichte macht. Es sind keine Änderungen an Einsteins Schwerkraft bekannt, die diese Vorhersagen auch nachträglich reproduzieren können, ohne auch dunkle Materie hinzuzufügen.

Eine Darstellung von Clustermustern aufgrund von Baryon-Akustikoszillationen, bei denen die Wahrscheinlichkeit, eine Galaxie in einem bestimmten Abstand von einer anderen Galaxie zu finden, von der Beziehung zwischen dunkler Materie und normaler Materie abhängt. Wenn sich das Universum ausdehnt, vergrößert sich auch dieser charakteristische Abstand, sodass wir die Hubble-Konstante messen können. (Zosia Rostomian)

2.) Die großräumige Struktur im Universum. Wenn Sie eine Galaxie haben, wie wahrscheinlich ist es, dass Sie in einer bestimmten Entfernung eine andere Galaxie finden? Und wenn Sie das Universum auf einer bestimmten Volumenskala betrachten, welche Abweichungen von der „durchschnittlichen“ Anzahl von Galaxien erwarten Sie dort? Diese Fragen bilden den Kern des Verständnisses einer großräumigen Struktur, und ihre Antworten hängen sehr stark sowohl von den Gesetzen der Schwerkraft als auch von dem ab, was sich in Ihrem Universum befindet. In einem Universum, in dem 100% Ihrer Materie normale Materie ist, haben Sie große Unterdrückungen der Strukturbildung in bestimmten, großen Maßstäben. Wenn Ihr Universum von dunkler Materie dominiert wird, erhalten Sie nur kleine Unterdrückungen auf einem glatten Hintergrund . Sie benötigen keine Simulationen oder nichtlinearen Effekte, um dies zu untersuchen. Dies kann alles von Hand berechnet werden.

Die Datenpunkte unserer beobachteten Galaxien (rote Punkte) und die Vorhersagen einer Kosmologie mit dunkler Materie (schwarze Linie) stimmen unglaublich gut überein. Die blauen Linien mit und ohne Änderung der Schwerkraft können diese Beobachtung ohne dunkle Materie nicht reproduzieren. (S. Dodelson, von http://arxiv.org/abs/1112.1320)

Wenn wir das Universum auf diesen größten Skalen betrachten und mit den Vorhersagen dieser verschiedenen Szenarien vergleichen, sind die Ergebnisse unbestreitbar. Diese roten Punkte (mit Fehlerbalken, wie gezeigt) sind die Beobachtungen - die Daten - aus unserem eigenen Universum. Die schwarze Linie ist die Vorhersage unserer Standard-CDM-Kosmologie mit normaler Materie, dunkler Materie (in sechsfacher Menge normaler Materie), dunkler Energie und allgemeiner Relativitätstheorie als das Gesetz, das sie regelt. Beachten Sie die kleinen Wackelbewegungen und wie gut - wie erstaunlich gut - die Vorhersagen mit den Daten übereinstimmen. Die blauen Linien sind die Vorhersagen normaler Materie ohne dunkle Materie, sowohl in Standard- (durchgezogene) als auch in modifizierten Schwerkraftszenarien (gepunktet). Auch hier sind keine Modifikationen der Schwerkraft bekannt, die diese Ergebnisse auch nachträglich reproduzieren können, ohne auch dunkle Materie einzubeziehen.

Der Weg, den Protonen und Neutronen im frühen Universum nehmen, um die leichtesten Elemente und Isotope zu bilden: Deuterium, Helium-3 und Helium-4. Das Verhältnis von Nukleon zu Photon bestimmt, mit wie viel dieser Elemente wir heute in unserem Universum fertig werden. Diese Messungen ermöglichen es uns, die Dichte der normalen Materie im gesamten Universum sehr genau zu kennen. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

3.) Die relative Häufigkeit von Lichtelementen, die im frühen Universum gebildet wurden. Dies ist weder eine Frage der Dunklen Materie noch eine extreme Abhängigkeit von der Schwerkraft. Aufgrund der Physik des frühen Universums, in der Atomkerne unter Bedingungen mit ausreichend hoher Energie gesprengt werden, wenn das Universum extrem gleichmäßig ist, können wir genau vorhersagen, wie viel Wasserstoff, Deuterium, Helium-3, Helium-4 und Lithium- 7 sollte vom Urknall in dem Urgas übrig bleiben, das wir heute sehen. Es gibt nur einen Parameter, von dem all diese Ergebnisse abhängen: das Verhältnis von Photonen zu Baryonen (Protonen und Neutronen zusammen) im Universum. Wir haben die Anzahl der Photonen im Universum dank der WMAP- und Planck-Satelliten gemessen und auch die Häufigkeit dieser Elemente gemessen.

Die vorhergesagten Häufigkeiten von Helium-4, Deuterium, Helium-3 und Lithium-7, wie durch die Urknall-Nucleosynthese vorhergesagt, wobei die Beobachtungen in den roten Kreisen gezeigt sind. (NASA / WMAP-Wissenschaftsteam)

Zusammengenommen sagen sie uns die Gesamtmenge an normaler Materie im Universum: Sie beträgt 4,9% der kritischen Dichte. Mit anderen Worten, wir kennen die Gesamtmenge an normaler Materie im Universum. Es ist eine Zahl, die sowohl mit den kosmischen Mikrowellen-Hintergrunddaten als auch mit den großräumigen Strukturdaten auf spektakuläre Weise übereinstimmt, und dennoch müssen nur etwa 15% der Gesamtmenge an Materie vorhanden sein. Es ist wiederum keine Modifikation der Schwerkraft bekannt, die Ihnen diese großräumigen Vorhersagen und auch diese geringe Häufigkeit normaler Materie liefern kann.

Cluster MACS J0416.1–2403 in der Optik, einem der Hubble-Grenzfelder, das durch Gravitationslinsen einige der tiefsten und schwächsten Galaxien enthüllt, die jemals im Universum gesehen wurden. (NASA / STScI)

4.) Die Gravitationsbiegung von Sternenlicht aus großen Clustermassen im Universum. Wenn wir uns die größten Massenklumpen im Universum ansehen, die dem linearen Regime der Strukturbildung am nächsten kommen, stellen wir fest, dass das Hintergrundlicht von ihnen verzerrt ist. Dies ist auf die Gravitationsbiegung des Sternenlichts in der Relativitätstheorie zurückzuführen, die als Gravitationslinsen bekannt ist. Wenn wir diese Beobachtungen verwenden, um die Gesamtmenge der im Universum vorhandenen Masse zu bestimmen, erhalten wir dieselbe Zahl, die wir die ganze Zeit erhalten haben: Etwa 30% der Gesamtenergie des Universums müssen in allen Formen von Materie vorhanden sein, addiert , um diese Ergebnisse zu reproduzieren. Mit nur 4,9% in normaler Materie bedeutet dies, dass eine Art dunkle Materie vorhanden sein muss.

Gravitationslinsen im Galaxienhaufen Abell S1063 zeigen die Biegung des Sternenlichts durch Materie und Energie. (NASA, ESA und J. Lotz (STScI))

Wenn Sie sich die gesamte Datenreihe ansehen und nicht nur einige kleine Details darüber, was in dem chaotischen, komplexen, nichtlinearen Regime vor sich geht, gibt es keine Möglichkeit, das heutige Universum zu erhalten, ohne dunkle Materie hinzuzufügen. Menschen, die Occams Rasiermesser (fälschlicherweise) verwenden, um für MOND oder MOdified Newtonian Dynamics zu argumentieren, müssen berücksichtigen, dass eine Änderung des Newtonschen Gesetzes diese Probleme für Sie nicht lösen wird. Wenn Sie Newton verwenden, verpassen Sie die Erfolge von Einsteins Relativitätstheorie, die zu zahlreich sind, um sie hier aufzulisten. Es gibt die Shapiro-Zeitverzögerung. Es gibt eine Gravitationszeitdilatation und eine Gravitationsrotverschiebung. Es gibt den Rahmen des Urknalls und das Konzept des expandierenden Universums. Es gibt den Lens-Thirring-Effekt. Es gibt die direkten Detektionen von Gravitationswellen, deren gemessene Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Und es gibt die Bewegungen von Galaxien innerhalb von Clustern und die Häufung von Galaxien selbst auf den größten Skalen.

Auf den größten Skalen kann die Art und Weise, wie sich Galaxien beobachtend zusammenballen (blau und lila), nicht durch Simulationen (rot) verglichen werden, es sei denn, dunkle Materie ist enthalten. (Gerard Lemson & das Virgo Consortium, mit Daten von SDSS, 2dFGRS und der Millennium Simulation)

Und für all diese Beobachtungen gibt es keine einzige Änderung der Schwerkraft, die diese Erfolge reproduzieren könnte. Es gibt einige Vokalisten in der Öffentlichkeit, die sich für MOND (oder andere modifizierte Schwerkraft-Inkarnationen) als legitime Alternative zur Dunklen Materie einsetzen, aber es ist derzeit einfach keine. Die kosmologische Gemeinschaft ist überhaupt nicht dogmatisch über die Notwendigkeit dunkler Materie; Wir "glauben" daran, weil all diese Beobachtungen es erfordern. Trotz aller Bemühungen, die Relativitätstheorie zu modifizieren, sind keine Modifikationen bekannt, die auch nur zwei dieser vier Punkte erklären können, geschweige denn alle vier. Aber dunkle Materie kann und tut es.

Nur weil dunkle Materie für manche ein Fudge-Faktor zu sein scheint, im Vergleich zu der Idee, Einsteins Schwerkraft zu modifizieren, gibt letzterem kein zusätzliches Gewicht. Umberto Eco schrieb in Foucaults Pendel: "Wie der Mann sagte, gibt es für jedes komplexe Problem eine einfache Lösung, und es ist falsch." Wenn jemand versucht, Ihnen modifizierte Schwerkraft zu verkaufen, fragen Sie ihn nach dem kosmischen Mikrowellenhintergrund. Fragen Sie sie nach großflächigen Strukturen. Fragen Sie sie nach der Urknall-Nukleosynthese und der ganzen Reihe anderer kosmologischer Beobachtungen. Lassen Sie sich nicht zufrieden sein, bis sie eine solide Antwort haben, die so gut ist wie die der Dunklen Materie.

Vier kollidierende Galaxienhaufen, die die Trennung zwischen Röntgenstrahlen (rosa) und Gravitation (blau) zeigen, was auf dunkle Materie hinweist. In großen Maßstäben ist kalte dunkle Materie erforderlich, und es reicht keine Alternative oder kein Ersatz aus. (Röntgen: NASA / CXC / UVic. / A. Mahdavi et al. Optisch / Linse: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al (oben links); Röntgen: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson et al .; optisch: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson et al. (oben rechts); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Mailand, Italien) / CFHTLS (unten links); Röntgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universität von Kalifornien, Santa Barbara) und S. Allen (Stanford University) (unten rechts) ))

Die modifizierte Schwerkraft kann die großräumige Struktur des Universums nicht so erfolgreich vorhersagen wie ein Universum voller dunkler Materie. Zeitraum. Und bis es geht, lohnt es sich nicht, sich als ernstzunehmender Konkurrent Gedanken zu machen. Sie können die physikalische Kosmologie bei Ihren Versuchen, den Kosmos zu entschlüsseln, nicht ignorieren, und die Vorhersagen der großräumigen Struktur, des Mikrowellenhintergrunds, der Lichtelemente und der Biegung des Sternenlichts sind einige der grundlegendsten und wichtigsten Vorhersagen, die sich aus der physikalischen Kosmologie ergeben . MOND hat einen großen Sieg über die Dunkle Materie: Es erklärt die Rotationskurven von Galaxien besser als die Dunkle Materie, auch bis heute. Aber es ist noch keine physikalische Theorie, und sie stimmt nicht mit der gesamten Reihe von Beobachtungen überein, die uns zur Verfügung stehen. Bis zu diesem Tag wird dunkle Materie zu Recht die führende Theorie darüber sein, was die Masse in unserem Universum ausmacht.

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