Die Entwicklung der großräumigen Struktur im Universum, von einem frühen, einheitlichen Zustand zu dem heute bekannten gebündelten Universum. Die Art und Fülle der Dunklen Materie würde ein völlig anderes Universum hervorbringen, wenn wir das, was unser Universum besitzt, verändern würden. (Angulo et al. 2008, via Durham University)

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

Es gab viele Befürworter des Lagers „Keine dunkle Materie“, die viel Aufmerksamkeit in der Bevölkerung fanden. 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 die Bewegung dieser Galaxien nachvollziehen, sind Sie ziemlich verwirrt. Während im Sonnensystem die Planeten die Sonne mit abnehmender Geschwindigkeit umkreisen, je weiter Sie vom Zentrum entfernt sind - genau wie das Gravitationsgesetz vorhersagt -, tun die Sterne um das galaktische Zentrum herum so etwas nicht. Obwohl sich die Masse in Richtung der zentralen Ausbuchtung und in einer ebenen Scheibe konzentriert, peitschen die Sterne in den äußeren Regionen einer Galaxie mit derselben Geschwindigkeit um sie herum wie in den inneren Regionen, was Vorhersagen widerspricht. Offensichtlich fehlt etwas. Zwei Lösungen kommen in den Sinn: Entweder gibt es 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 beide Möglichkeiten vernünftig erscheinen, ist die unsichtbare Massenerklärung, bekannt als dunkle Materie, 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 werden muss, wie es heute ist. (Stefania.deluca von Wikimedia Commons)

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

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

Wenn wir es andererseits mit großen Abweichungen vom Durchschnitt zu tun haben, werden Sie in das sogenannte nichtlineare Regime versetzt, und es ist weitaus schwieriger, aus diesen Tests Schlussfolgerungen zu ziehen. Heutzutage ist eine Galaxie wie die Milchstraße möglicherweise eine Million Mal dichter als die durchschnittliche kosmische Dichte, wodurch sie fest im nichtlinearen Bereich liegt. Auf der anderen Seite sind die Gravitationseffekte viel linearer, wenn wir das Universum entweder in sehr großem Maßstab oder zu sehr frühen Zeiten betrachten, was dieses Labor zu Ihrem idealen Labor macht. Wenn Sie herausfinden möchten, ob es sinnvoll ist, die Schwerkraft zu modifizieren oder den zusätzlichen Bestandteil der dunklen Materie hinzuzufügen, möchten Sie herausfinden, wo die Auswirkungen am deutlichsten sind und wo die Auswirkungen der Schwerkraft am einfachsten vorherzusagen sind: im linearen Bereich.

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

Die Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund wurden zuerst von COBE in den 1990er Jahren, dann von WMAP in den 2000er Jahren und von Planck (oben) in den 2010er Jahren genau 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, der nur 380.000 Jahre nach dem Urknall liegt. Die blauen Regionen entsprechen Überdichten, in denen Materieklumpen ihr unvermeidliches Gravitationswachstum begonnen haben und ihren Weg zur Bildung von Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen zurücklegen. Die roten Regionen sind unterdichte Regionen, in denen Materie an die dichteren Regionen verloren geht, die sie umgeben. Durch die Betrachtung dieser Temperaturschwankungen und ihrer Korrelation - also in einem bestimmten Maßstab. Wie groß ist Ihre durchschnittliche Abweichung von der Durchschnittstemperatur? Sie können eine Menge über die Zusammensetzung Ihres Universums lernen.

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

Insbesondere die Positionen und Höhen (insbesondere die relativen Höhen) der oben identifizierten sieben Peaks stimmen auf spektakuläre Weise 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 und der geradzahligen Peaks nicht aufeinander abgestimmt werden. Das Beste, was Behauptungen über die modifizierte Schwerkraft bewirken 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 dass zusätzlich dunkle Materie hinzugefügt wird.

Ein Beispiel für Clustering-Muster aufgrund von Baryon-Akustikoszillationen, bei denen die Wahrscheinlichkeit, eine Galaxie in einer bestimmten Entfernung von einer anderen Galaxie zu finden, von der Beziehung zwischen dunkler Materie und normaler Materie abhängt. Mit der Ausdehnung des Universums 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 eine andere Galaxie in einer bestimmten Entfernung 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 von den Gesetzen der Schwerkraft und dem ab, was in Ihrem Universum vor sich geht. In einem Universum, in dem 100% Ihrer Materie normale Materie ist, haben Sie große Unterdrückungen der Strukturbildung auf bestimmten, großen Skalen, während Sie, wenn Ihr Universum von dunkler Materie dominiert wird, nur kleine Unterdrückungen auf einem glatten Hintergrund erhalten . Sie benötigen keine Simulationen oder nichtlinearen Effekte, um dies zu überprüfen. 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 Änderungen 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 dem Gesetz, das sie regelt. Beachten Sie die kleinen Wackelbewegungen darin und wie gut - wie erstaunlich gut - die Vorhersagen mit den Daten übereinstimmen. Die blauen Linien sind die Vorhersagen für normale Materie ohne dunkle Materie, sowohl in Standardszenarien (durchgehend) als auch in Szenarien mit modifizierter Schwerkraft (gepunktet). Auch hier sind keine Änderungen 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 Nukleonen zu Photonen bestimmt, mit wie vielen dieser Elemente wir heute in unserem Universum fertig werden. Diese Messungen erlauben es uns, die Dichte der normalen Materie im gesamten Universum sehr genau zu kennen. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

3.) Die relative Häufigkeit der im frühen Universum gebildeten Lichtelemente. Dies ist keine spezielle Frage im Zusammenhang mit Dunkler Materie und auch nicht extrem abhängig von der Schwerkraft. Aufgrund der Physik des frühen Universums, in der Atomkerne bei extrem gleichmäßigen Bedingungen im Universum unter Hochenergiebedingungen auseinander gesprengt werden, können wir jedoch 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 kombiniert) im Universum. Wir haben die Anzahl der Photonen im Universum sowohl mit dem WMAP- als auch mit dem Planck-Satelliten gemessen und auch die Häufigkeit dieser Elemente gemessen.

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

Zusammengenommen geben sie die Gesamtmenge der normalen Materie im Universum an: 4,9% der kritischen Dichte. Mit anderen Worten, wir kennen die Gesamtmenge der normalen Materie im Universum. Es ist eine Zahl, die sowohl mit den kosmischen Mikrowellen-Hintergrunddaten als auch mit den großräumigen Strukturdaten in spektakulärer Übereinstimmung steht, und dennoch müssen nur etwa 15% der Gesamtmenge der Materie vorhanden sein. Es ist wiederum keine Änderung der Schwerkraft bekannt, die Ihnen diese großräumigen Vorhersagen und auch diese geringe Menge an normaler Materie liefern kann.

Cluster MACS J0416.1–2403 im optischen Bereich, einem der Hubble Frontier Fields, das durch Gravitationslinsen einige der tiefsten und schwachsten Galaxien aufdeckt, 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 Relativität zurückzuführen, die als Gravitationslinsenbildung bekannt ist. Wenn wir diese Beobachtungen verwenden, um zu bestimmen, wie viel Masse im Universum insgesamt vorhanden ist, erhalten wir die gleiche Zahl, die wir alle erhalten haben: Etwa 30% der Gesamtenergie des Universums müssen in allen Formen von Materie vorhanden sein, addiert , um diese Ergebnisse zu reproduzieren. Da in normaler Materie nur 4,9% vorhanden sind, bedeutet dies, dass eine Art dunkler 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, anstatt nur ein paar kleine Details darüber, was in dem chaotischen, komplexen, nichtlinearen Regime vor sich geht, gibt es keine Möglichkeit, das Universum zu erhalten, das wir heute haben, ohne dunkle Materie hinzuzufügen. Personen, 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 löst. 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. Da ist der Lens-Thiring-Effekt. Es gibt die direkte Erfassung von Gravitationswellen, deren gemessene Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Und es gibt die Bewegungen von Galaxien innerhalb von Clustern und die von Galaxien selbst auf den größten Skalen.

Auf den größten Skalen kann die Art und Weise, wie sich Galaxien beobachtungsgemäß zusammenballen (blau und lila), nur durch Simulationen (rot) erreicht werden, wenn dunkle Materie einbezogen wird. (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 kann. Es gibt einige Vokalisten in der Öffentlichkeit, die sich für MOND (oder andere modifizierte Gravitationsinkarnationen) als legitime Alternative zur Dunklen Materie aussprechen, aber dies ist derzeit einfach keine. Die Kosmologie-Community ist überhaupt nicht dogmatisch in Bezug auf die Notwendigkeit dunkler Materie. Wir glauben daran, weil all diese Beobachtungen es verlangen. 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 Unsinnsfaktor zu sein scheint, verleiht sie im Vergleich zu der Idee, Einsteins Schwerkraft zu modifizieren, letzterem kein zusätzliches Gewicht. Wie Umberto Eco in Foucaults Pendel schrieb: "Wie der Mann sagte, gibt es für jedes komplexe Problem eine einfache Lösung, und es ist falsch." Fragen Sie nach großflächigen Strukturen. Fragen Sie sie nach der Urknall-Nukleosynthese und der ganzen Reihe anderer kosmologischer Beobachtungen. Lassen Sie sich nicht zufrieden geben, bis sie eine solide Antwort erhalten, die so gut ist wie die dunkle Materie.

Vier kollidierende Galaxienhaufen, die die Trennung zwischen Röntgenstrahlen (pink) und Gravitation (blau) zeigen, was auf dunkle Materie hindeutet. In großen Maßstäben ist kalte dunkle Materie erforderlich, und es gibt keine Alternative oder Ersatz. (Röntgen: NASA / CXC / UVic. / A. Mahdavi et al. Optisch / Linsen: 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 (Universität von Stanford) (unten rechts) ))

Die veränderte Schwerkraft kann die großräumige Struktur des Universums nicht so erfolgreich vorhersagen, wie es ein Universum voller dunkler Materie kann. Zeitraum. Und solange es nicht möglich ist, lohnt es sich nicht, ernsthafte Konkurrenten zu sein. 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 aus der physikalischen Kosmologie hervorgehen . MOND hat einen großen Sieg über die Dunkle Materie errungen: Es erklärt die Rotationskurven von Galaxien besser als jemals zuvor, auch bis zum heutigen Tag. Es ist jedoch noch keine physikalische Theorie, und sie steht nicht im Einklang mit der ganzen Reihe von Beobachtungen, die uns zur Verfügung stehen. Bis zu diesem Tag wird die Dunkle Materie zu Recht die führende Theorie dessen sein, was die Masse in unserem Universum ausmacht.

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.