Während das Netz aus dunkler Materie (lila) die Bildung der kosmischen Struktur allein zu bestimmen scheint, kann die Rückkopplung von normaler Materie (rot) die galaktischen Skalen stark beeinflussen. Bildnachweis: Illustris Collaboration / Illustris Simulation.

Warum sind dunkle Materie und modifizierte Schwerkraft in einem solchen Konflikt?

Etwas stimmt nicht mit dem Universum ohne etwas Besonderes. Warum können sich die Wissenschaftler also nicht darauf einigen, was dieses "Extra" ist?

"Bisher wissen wir nur, was nicht funktioniert." -Richard Feynman

Die Gesetze der Schwerkraft gehören zu den etabliertesten und am besten getesteten physikalischen Gesetzen aller Zeiten. Wenn Sie ein massives Objekt im Weltraum - einen Planeten, einen Stern, eine Galaxie oder etwas noch Größeres - beobachten würden, das nicht mit der vorhergesagten Gravitation übereinstimmt, wären Sie verrückt, es nicht doppelt und dreifach zu überprüfen Was du gesehen hast. Aber hin und wieder stellen sich entweder unsere physikalischen Gesetze oder unser Verständnis dessen, was sich im Universum befindet, als unvollständig heraus, und es liegt an uns, den Weg nach vorne zu finden. Momentan findet ein großer akademischer Kampf zwischen zwei Lagern statt, um die Gravitationsprobleme des Universums zu lösen: dem Dunklen Materie-Lager und dem modifizierten Schwerkraft-Lager. Dies ist ein Kampf, der schon einmal ausgetragen wurde, wobei jede Seite historische Siege vorzuweisen hat.

Konzeptzeichnung eines Sonnensystems mit zahlreichen Planeten, die alle den Gesetzen der Schwerkraft folgen. Bildnachweis: NASA / Tim Pyle.

1781 wurde der Planet Uranus entdeckt. Das erste große Sonnensystemobjekt, das jemals jenseits des Saturn entdeckt wurde, war der erste Planet, der mit einem Teleskop und nicht mit dem bloßen Auge entdeckt wurde. Newtons Gravitationsgesetze machten sehr explizite Vorhersagen darüber, wie schnell sich ein Planet in Uranus 'Entfernung von der Sonne in seiner Umlaufbahn bewegen sollte, und so gab die Entdeckung einer neuen Welt uns eine neue Gelegenheit, Newtons Gesetze zu testen. Aus diesem Grund war es eine unerwartete Überraschung, dass Wissenschaftler nach mehr als sechzigjähriger Beobachtung Folgendes feststellten:

  • In den ersten 20 Jahren schien sich Uranus zu schnell zu bewegen, als dass die Schwerkraftgesetze dies vorausgesagt hätten.
  • Uranus schien sich dann für die nächsten 20 Jahre mit genau der richtigen Geschwindigkeit zu bewegen, die Newtons Vorhersagen entsprach.
  • und dann bewegte es sich die ganze Zeit über zu langsam und entsprach wieder nicht den Vorhersagen.

Was ist passiert? War Newton falsch? Oder gab es da draußen eine zusätzliche Masse, die für die ungeklärten Abweichungen in Uranus 'Bewegung verantwortlich war?

Die Bewegung des Uranus über 20 Jahre zeigt, dass er im Laufe der Zeit zu schnell (L), korrekt (Mitte) und dann zu langsam (R) ist. Bildnachweis: Michael Richmond von R.I.T. Neptun ist in Blau, Uranus in Grün, Jupiter und Saturn in Cyan und Orange.

Theoretiker arbeiteten auf beiden Seiten daran, aber die Idee der „unsichtbaren Masse“ war hier richtig. Im Jahr 1846 berechnete Urbain Le Verrier die notwendigen Masse-, Orts- und Umlaufbahn-Eigenschaften dessen, was eine zusätzliche äußere Welt jenseits von Uranus für diese anomale Bewegung verursachen würde. Er teilte seine Berechnungen einem der weltweit führenden Observatorien mit und in der ersten Nacht, als sie danach suchten, fanden sie eine neue Welt - Neptun - innerhalb von 1º von Le Verriers Vorhersagen. Die Idee der „unsichtbaren Masse“ hielt an.

Bildnachweis: NASA / Voyager 2 von Neptun (L) und Uranus (R).

Ungefähr zur gleichen Zeit wurde ein neues Problem festgestellt: eines mit dem innersten Planeten: Merkur. Jeder Planet hat ein Perihel oder eine Annäherung an die Sonne am nächsten. Dies ist auf Effekte wie die Präzession der Äquinoktien und die Anziehungskraft der Planeten, Monde und Asteroiden im Sonnensystem zurückzuführen, die das Perihel mit der Zeit vorantreibt oder dreht. Es wurde vorhergesagt, dass Quecksilber bei 5557 ″ pro Jahrhundert pressen würde, aber tatsächlich bei 5600 ″ pro Jahrhundert pressen würde: ein winziger, aber signifikanter Unterschied.

Kandidatenbereich für den hypothetischen Planeten Vulcan. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Reyk.

Wiederum stritten sich Theoretiker darüber, ob es eine neue Masse geben müsste - in diesem Fall einen Planeten im Inneren von Mercury, mit dem Codenamen Vulcan -, um die Auswirkungen zu erklären, oder ob Newtons Gesetze geändert werden müssten. Während die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts mit Berechnungen und Nachforschungen nach Vulkan gefüllt war, wurde nie eine Innenwelt gefunden. Andererseits deuteten der Zusammenbruch von Newtons Gesetzen nahe der Lichtgeschwindigkeit, das Nullergebnis des Michelson-Morley-Experiments und die Entwicklung einer speziellen Relativitätstheorie auf die Notwendigkeit hin, über Newton hinauszugehen. Ende 1915 präsentierte Einstein die endgültige Form der Allgemeinen Relativitätstheorie, und es wurde nicht nur Merkurs zusätzliche Präzession von 43 Zoll pro Jahrhundert erklärt, sondern es wurden auch zusätzliche Vorhersagen getroffen.

Die Ergebnisse der Eddington-Expedition von 1919 zeigten schlüssig, dass die Allgemeine Relativitätstheorie die Biegung des Sternenlichts um massive Objekte beschrieb, wodurch das Newtonsche Bild gestürzt wurde. Bildnachweis: Illustrated London News, 1919.

Ab 2016 wurde jede der getesteten Vorhersagen von Einstein bestätigt, angefangen von Gravitationszeitverzögerungen über Linseneffekte bis hin zu Pulsorbitalzerfällen und Gravitationswellen. Aber was ist mit dem aktuellen Problem, das in den 1930er Jahren zuerst in Galaxienhaufen und dann in den 1970er Jahren in einzelnen Galaxien robuster identifiziert wurde? Das Problem ist, dass die inneren Bewegungen von Galaxien zeigen, dass sie sich sowohl schneller als auch mit einem anderen Profil bewegen, als Sie es von der normalen Materie und den Gesetzen der Physik, die wir derzeit haben, erwarten würden. Was wir ganz einfach wissen, erklärt nicht, was wir sehen.

Nachvollziehbare Sterne, neutrales Gas und (noch weiter entfernte) Kugelhaufen deuten auf die Existenz eines modifizierten Gravitationsgesetzes ODER einer dunklen Materie hin, die Masse hat, aber in einem großen, diffusen Lichthof weit über die normale Materie hinaus existiert. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Stefania.deluca.

Was ist diesmal die Lösung? Ist es an der Zeit, die Schwerkraftgesetze zu ändern? Wenn Sie dies tun, können Sie erklären, wie sich so ziemlich jede Galaxie im Universum mit nur einem einfachen, modifizierten Gesetz dreht. Sie können Merkmale und Details reproduzieren, die jeder anderen Methode überlegen sind, und Sie können sogar Vorhersagen über winzige Satellitengalaxien bis zu sehr, sehr geringen Massen treffen, bei denen die Abweichungen zwischen Materie und Schwerkraft am größten sind.

Die Korrelation zwischen der Gravitationsbeschleunigung (y-Achse) und der normalen baryonischen Materie (x-Achse), die in einer Anordnung von 153 Galaxien sichtbar ist. Die blauen Punkte zeigen jede einzelne Galaxie, während die roten Daten in Gruppen angezeigt werden. Bildnachweis: Die Radialbeschleunigungsbeziehung in Galaxien mit Rotationsunterstützung, Stacy McGaugh, Federico Lelli und Jim Schombert, 2016. Von https://arxiv.org/pdf/1609.05917v1.pdf.

Im letzten Monat wurde eine neue Korrelation festgestellt, die einen universellen Rahmen und eine Beziehung zwischen der beobachteten, normalen Materie und der beobachteten Beschleunigung bietet und für jede beobachtete und gemessene Galaxie gilt. Für einzelne Galaxien funktioniert die Änderung der Schwerkraft. Aber die veränderte Schwerkraft hat große, große Nachteile, wenn man sich größere Maßstäbe im Universum ansieht.

Die Röntgen- (rosa) und Gesamtmaterie-Karten (blau) verschiedener kollidierender Galaxienhaufen zeigen eine klare Trennung zwischen normaler und dunkler Materie. Bildnachweis: Röntgen: NASA / CXC / Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Schweiz / D. Harvey & NASA / CXC / Durham Univ / R. Massey; Optische Karte und Linsenkarte: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Schweiz) und R. Massey (Durham University, UK).

Wenn Galaxienhaufen kollidieren, führt die modifizierte Schwerkraft zu sehr unterschiedlichen Vorhersagen vor und nach der Kollision, wobei eine einzige Modifikation nicht beide erklären kann. Wenn Sie versuchen, die Bewegung einzelner Galaxien in Clustern zu erklären, liefert die modifizierte Schwerkraft keine Ergebnisse, die mit den Beobachtungen übereinstimmen. Wenn Sie sich Gravitationslinsen oder die Biegung von entferntem Licht aufgrund der Schwerkraft ansehen, führt die modifizierte Schwerkraft zu zu kleinen Werten. Und wenn man sich die größten Strukturen ansieht - das große kosmische Netz zu späten Zeiten und die Schwankungen der Urknallreste zu frühen Zeiten -, dann sind die Vorhersagen der modifizierten Schwerkraft katastrophal unvereinbar mit dem, was bereits gesehen wurde.

Die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund oder das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls enthalten eine Fülle von Informationen darüber, was in der Geschichte des Universums kodiert ist. Bildnachweis: ESA und Planck Collaboration.

Die andere Option ist Dunkle Materie. Anstatt die Newton'schen oder Einstein'schen Gesetze zu ändern, behalten Sie sie bei und fügen einfach eine zusätzliche Zutat hinzu: eine unsichtbare, unsichtbare Masse, die nur gravitativ interagiert. Dies kann auch erklären, wie sich einzelne Galaxien drehen, indem diese zusätzliche Gravitationsquelle hinzugefügt wird, die bei normaler Materie nicht berücksichtigt wird. Es ist aus mehreren Gründen eine schwierige und unübersichtliche Lösung, aber der Hauptgrund ist, dass wir nur simulieren können, wie sich diese dunkle Materie verhalten sollte, und unsere Simulationen haben Grenzen.

Das kosmische Netz wird von dunkler Materie angetrieben, aber die kleinen Strukturen entlang der Filamente bilden sich durch den Zusammenbruch normaler, elektromagnetisch wechselwirkender Materie. Bildnachweis: Ralf Kaehler, Oliver Hahn und Tom Abel (KIPAC).

Die größten Maßstäbe sind einfacher, weil das Universum gleichmäßiger ist, die Fluktuationen gröber sind und die Schwerkraft bei weitem die dominierenden Auswirkungen hat. Sie können auch mit weniger Teilchen in Ihrer Simulation davonkommen, um das relevante Verhalten zu extrahieren. Dunkle Materie reproduziert auf den größten Skalen den kosmischen Mikrowellenhintergrund, die großräumige Struktur, Galaxienhaufen-Kollisionen, Gravitationslinsen und die Bewegungen von in Gruppen gebundenen Galaxien. Ihre Eigenschaften werden alle perfekt durch dunkle Materie im Detail erklärt.

Der Koma-Galaxienhaufen, dessen Galaxien sich viel zu schnell bewegen, um aufgrund der allein beobachteten Masse durch die Gravitation erklärt zu werden. Bildnachweis: KuriousG von Wikimedia Commons, unter einer Lizenz von c.c.a.-s.a.-4.0.

Simulationen der Dunklen Materie enthalten jetzt oft Billionen von Partikeln und versuchen, Photonendruck, Sternentstehung, Supernovae und andere Rückkopplungseffekte zu berücksichtigen. Es wird jedoch geschätzt, dass jede einzelne Galaxie zwischen 10⁶⁰ und 10⁸⁰ Teilchen der dunklen Materie enthält. eine Billion ist nur 10¹². Die neue Korrelation, die durch das modifizierte Gravitationslager gefunden wurde, kann durch dunkle Materie erklärt werden, aber nur für die massereichsten Galaxien: jene, die ungefähr 10% der Masse der Milchstraße und größer sind. Aber weniger massive Galaxien erfordern mehr Partikel, als moderne Rechenleistung liefern kann, und in einer neuen Veröffentlichung, die erst am Montag erschien, hat das Team für modifizierte Gravitation gezeigt, dass mehr als eine Million übrig sind.

Die Galaxien, für die die Materie- / Beschleunigungskorrelation validiert wurde. Beachten Sie, dass nur Galaxien, die größer als die gepunktete Linie sind, angemessen simuliert werden können. Bildnachweis: Abbildung 1 von Lelli et al. Über https://arxiv.org/pdf/1610.08981v1.pdf.

Die meisten im Dunklen-Materie-Lager sind überzeugt, dass die volle Bandbreite ihrer bisherigen Erfolge dazu führt, dass ein besseres Verständnis der Natur der Dunklen Materie und eine verbesserte Rechenleistung dazu führen, dass die Rotation der Galaxien in Einklang gebracht wird. Ebenso sind die meisten im Lager der veränderten Schwerkraft davon überzeugt, dass das Versagen der Dunklen Materie auf diesen kleinen Skalen eine Katastrophe darstellt und dass die entdeckten Korrelationen ein Naturgesetz sind, das Vorbote einer Revolution ist, die noch größer ist als Einsteins von 100 Jahren vor. Die große Herausforderung für die modifizierte Schwerkraft besteht darin, die Erfolge der modernen Kosmologie in großem Maßstab zu reproduzieren. Die Herausforderung für die Dunkle Materie besteht darin, die Details der kleinsten Skalen korrekt wiederzugeben.

Die Details der von der Dunklen Materie vorhergesagten kleinräumigen Struktur stimmen nicht mit dem überein, was wir beobachten. Die Hoffnung des Lagers für Dunkle Materie ist, dass verbesserte Simulationen und Modelle diese genau und robust reproduzieren. Bildnachweis: NASA, ESA und T. Brown und J. Tumlinson (STScI).

Der Grund, warum es so viele Spannungen gibt, ist, dass die meisten Menschen im Dunklen-Materie-Lager (vollständige Offenlegung: einschließlich mir) glauben, dass das, was die modifizierte Schwerkraft als „Naturgesetz“ bezeichnet, eines Tages nur eine Folge der Existenz der Dunklen Materie sein wird Die Menschen mit veränderter Schwerkraft glauben, dass es keine dunkle Materie gibt. Wenn Sie die gesamte Beweismenge erklären möchten, die wir heute haben, müssen Sie dunkle Materie haben. Es ist keine Änderung der Schwerkraft bekannt, die die großräumige Struktur des Universums oder den kosmischen Mikrowellenhintergrund überhaupt erklären könnte. Aber wenn es keine dunkle Materie gibt, muss es eine Möglichkeit geben, die Schwerkraft zu modifizieren, um alles zu erklären, was das Universum uns gibt.

Eine Region ohne Materie in unserer Galaxie offenbart das Universum dahinter, wo jeder Punkt eine ferne Galaxie ist. Modifizierte Gravitationsversuche müssen die Fähigkeit erlangen, das zu reproduzieren, was wir sehen. Dunkle Materie schon. Bildnachweis: ESA / Herschel / SPIRE / HerMES.

In der Zwischenzeit werden sich beide Seiten weiterhin gegenseitig herausfordern. Bis der Tag, an dem die Dunkle Materie direkt erfasst wird, oder bis gezeigt wird, dass die „Naturgesetze“, die durch modifizierte Gravitationsschemata aufgedeckt werden, aus Simulationen der Dunklen Materie resultieren, wird ein wenig Unsicherheit über der Hypothese der Dunklen Materie schweben. So sollte es auch sein. Dies bedeutet nicht, dass wir nicht den Schluss ziehen können, dass "Dunkle Materie real ist", da dies die Standardposition verdient. Dies bedeutet jedoch, dass eine winzige Stimme des Zweifels, die auf galaktischen Skalen und darunter zu sehen ist, ausreichend angesprochen werden muss, bevor ein vernünftiger Skeptiker keinen Grund mehr hat, sich zu behaupten.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!