Sie sagen, dass es die dunkelste Materie im Universum gibt (wenn wir allgemein über Materie sprechen). Und doch begegnen wir ihm im Alltag praktisch nicht. Wir kennen die Sonne - das massereichste Objekt im Sonnensystem - sie besteht aus gewöhnlicher Materie (Protonen, Neutronen und Elektronen), aber es gibt viele andere Quellen, darunter Planeten, Gas, Staub, Plasma und die Überreste von Sternen. Dunkle Materie gehört nicht dazu - und selbst das Standardmodell beschreibt seine Partikel nicht. Natürlich ist dunkle Materie nicht die einzige Möglichkeit, die beobachteten Gravitationsphänomene im Universum zu erklären. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Gravitationstheorie zu modifizieren, was viele bereits versucht haben. Dies brachte die Idee der modifizierten Newtonschen Dynamik (MOND) und anderer Theorien hervor, die immer noch beliebte Alternativen zur Dunklen Materie sind.
Um irgendwo anzufangen, müssen wir zurück in das 19. Jahrhundert gehen und über ein Problem sprechen, das lange vor der „fehlenden Masse“(oder dem „fehlenden Licht“) bestand, die dunkle Materie und MOND zu lösen versuchen: das Uranus-Merkur-Problem. Newtons Gravitationsgesetz, das Newton bereits im 17. Jahrhundert eingeführt hatte, war unglaublich erfolgreich darin, alles - soweit wir wissen - so zu beschreiben, wie es angewendet wurde. Von der Bewegung von Projektilen zu rollenden Objekten; vom Gewicht der Gegenstände bis zum Ticken einer Pendeluhr; Vom Auftrieb eines Bootes bis zur Umlaufbahn des Mondes um die Erde hat Newtons Schwerkraft nie versagt.
Keplers drei Gesetze, ein Sonderfall der Newtonschen Gravitationsformel, wurden in gleichem Maße auf alle bekannten Planeten angewendet:
1. Die Planeten bewegen sich in Ellipsen mit der Sonne in einem der Fokusse.
2. Jeder Planet bewegt sich in einer Ebene, die durch das Zentrum der Sonne verläuft, und für gleiche Zeitintervalle beschreibt der Radiusvektor, der die Sonne und den Planeten verbindet, gleiche Flächen.
3. Die Quadrate der Rotationsperioden der Planeten um die Sonne werden als Würfel der Semi-Major-Achsen der Planetenbahnen bezeichnet.
Die bekannten inneren und äußeren Welten gehorchten alle diesen Gesetzen, so dass über Hunderte von Jahren keine Abweichungen aufgedeckt wurden. Mit der Entdeckung von Uranus im Jahr 1781 änderte sich jedoch etwas. Während sich der letzte der entdeckten Planeten in einer Ellipse um die Sonne bewegte, bewegte er sich im Vergleich zu den vorhergesagten Gravitationsgesetzen mit der falschen Geschwindigkeit.
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In den ersten 20 Jahren seit seiner Eröffnung bewegte es sich jede Nacht und jedes Jahr schneller als es die Gesetze vorschrieben. In den nächsten 20 bis 25 Jahren bewegte sich der Planet in strikter Übereinstimmung mit den Gesetzen. Aber dann wurde es langsamer und die Geschwindigkeit fiel unter die vorhergesagten Werte.
Gab es einen Fehler im Gravitationsgesetz? Vielleicht. Es ist aber auch möglich, dass etwas mehr Materie - etwas Unsichtbares, Dunkles - Uranus beeinflusste und Störungen in seiner Umlaufbahn verursachte. Das ist eher die Wahrheit. Nach einem theoretischen Krieg zwischen Urbain Le Verrier und John Coach Adams, der unabhängig arbeitete und Vorhersagen über den Standort des neuen Planeten machte, wurden Le Verriers Vorhersagen am 23. September 1846 von Johann Halle und seinem Assistenten Heinrich d'Arre bestätigt. Der Planet Neptun wurde entdeckt, das erste Objekt, das aus den Auswirkungen seiner Masse abgeleitet wurde: der Einfluss der Gravitation.
Auf der anderen Seite zeigte der innere Planet Merkur - dank der erhöhten Genauigkeit der Beobachtungen und in Kombination mit weltlichen Daten - eine noch seltsamere Verletzung der Schwerkraftgesetze. Wenn Keplers Gesetze vorausgesagt haben, dass sich die Planeten in idealen Ellipsen mit der Sonne in einem der Fokusse bewegen sollten, dann unter der Bedingung, dass es keine anderen Massen gibt, die das System verletzen oder beeinflussen. Aber es gibt keine Massen und Merkur bewegt sich nicht entlang einer perfekten Ellipse. Seine Ellipse bewegt sich im Laufe der Zeit.
Mit den Newtonschen Gravitationsgesetzen könnten wir den Einfluss aller bekannten Planeten (einschließlich Neptun) berücksichtigen. Wenn wir dies alles getan haben, werden wir feststellen, dass es eine kleine Diskrepanz zwischen dem vorhergesagten und dem beobachteten gibt: eine Präzession von 43 Zoll pro Jahrhundert oder 0,012 Grad pro Jahrhundert. Dies war jedoch kein Unfall.
Was ist diesmal die Erklärung? Bezieht sich diese neue unsichtbare Masse auf das Innere des Merkur? Oder hat sich das eigentliche Problem in das Gesetz der Schwerkraft eingeschlichen? Eine gründliche Suche nach einer Antwort auf diese Frage führte zu einem neuen theoretischen Planeten Vulcan, der näher an der Sonne hätte sein sollen als alle anderen. Es wurde jedoch kein Vulkanier gefunden. Die Lösung kam 1915, als Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie umriss.
Jetzt überspringen wir die Zeit bis in die 1970er Jahre - bis zu einer Reihe wissenschaftlicher Beobachtungen von Vera Rubin. Wir beobachten einzelne Galaxien - insbesondere Randgalaxien - und messen deren Geschwindigkeitsprofile. Wir schauen auf eine Seite der Galaxie und sehen, dass sie sich auf uns zubewegt (durch Blauverschiebung), wir schauen auf die andere - sie bewegt sich von uns weg (durch Rotverschiebung), und so bestimmen wir die Rotation der Galaxie. Was erwarten wir von ihnen? Wie unser Sonnensystem müssen sich innere Sterne schneller drehen, und je weiter vom Zentrum entfernt, desto niedriger muss die Geschwindigkeit sein. Aber das finden wir nicht.
Stattdessen bleibt die Rotationsgeschwindigkeit jeder einzelnen Galaxie unabhängig von der Entfernung konstant. Warum? Auch hier gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder müssen die Schwerkraftgesetze verbessert werden, oder wir müssen die Existenz einer unsichtbaren überschüssigen Masse annehmen.
MOND wurde erstmals 1981 von Moti Milgrom bemerkt, der beobachtete, dass wir diese Rotationskurven erklären könnten, wenn wir das Gravitationsgesetz bei sehr kleinen Beschleunigungen ändern würden - so etwas wie Bruchteile eines Nanometers pro Sekunde im Quadrat. Darüber hinaus könnte dieselbe Modifikation, einfach und konsistent, die Rotation aller Galaxien vom kleinsten zum größten erklären. MOND macht es immer noch und macht es gut.
Dunkle Materie hingegen legt nahe, dass es neben den normalen Teilchen des Standardmodells und der gewöhnlichen Materie von "Protonen, Neutronen und Elektronen", die fast alles ausmachen, was wir wissen, eine neue Art von Materie gibt. Um das Rotationsphänomen zu erklären, wurde vorgeschlagen, einen großen Lichthof einzuführen, der nicht mit Licht interagiert, aber nicht zusammenklebt und nur mit Gravitation mit gewöhnlicher Materie interagiert. Das war die Idee der dunklen Materie.
Dunkle Materie kann diese Rotationskurven erklären, aber sie macht es nicht so gut wie MOND. Numerische Simulationen für Lichthöfe, die selbst die einfachsten Modelle der dunklen Materie erzeugen, stimmen nicht mit den Beobachtungen überein. Halos sind in der Mitte zu "niedergeschlagen" und am Stadtrand zu "flauschig". (Aus technischer Sicht scheinen sie isothermer zu sein als erwartet). Kurz gesagt, MOND war zunächst der klare Anführer.
Aber dort begann weiter das ganze Universum. Wenn Sie eine neue Theorie vorschlagen, um eine alte zu ersetzen - wie die allgemeine Relativitätstheorie Newtons Gesetze ersetzte -, muss Ihre Theorie drei Prinzipien erfüllen:
1. Es muss den vollen Erfolg der vorherigen führenden Theorie reproduzieren.
2. Es muss das neue Phänomen (oder die neuen Phänomene), für die es geschaffen wurde, erfolgreich erklären.
3. Und sie muss neue Vorhersagen treffen, die experimentell oder beobachtend verifiziert, bestätigt oder widerlegt werden, damit sie für die neue Theorie einzigartig ist.
Wir sprechen über alle Erfolge der vorherigen Leittheorie, und sie sind zahlreich.
Es gibt eine Gravitationskrümmung des Sternenlichts durch Masse, starke und schwache Gravitationslinsen. Es gibt den Shapiro-Effekt. Es gibt eine Gravitationszeitdilatation und eine Gravitationsrotverschiebung. Es gibt das Konzept des Urknalls und das Konzept eines expandierenden Universums. Es gibt Bewegungen von Galaxien innerhalb von Clustern und Clusterbildung der Galaxien selbst auf den größten Skalen.
Bei all diesen Beispielen - all - erleidet MOND eine vernichtende Niederlage, indem es entweder keine Vorhersagen macht oder Vorhersagen macht, die frustrierend nicht mit den verfügbaren Daten übereinstimmen. Sie können zu Recht darauf hinweisen, dass MOND niemals als vollständige Theorie gedacht war, sondern als Beschreibung eines Phänomens, das zu einer vollständigeren Theorie führen könnte. Viele Leute arbeiten an einer MOND-Erweiterung, die diese Beobachtungen erklären könnte, aber ohne Erfolg.
Wenn Sie jedoch Einsteins Gravitationsgesetz fortsetzen und nur eine neue Zutat hinzufügen, kalte dunkle Materie, können Sie alles erklären, einschließlich einiger neuer ungewöhnlicher Nuancen.
Sie können das Clustermuster erklären, das in der großräumigen Struktur des Universums beobachtet wird, wenn Sie fünfmal mehr dunkle Materie als normale Materie haben.
Noch beeindruckender ist, dass Sie eine völlig neue Vorhersage treffen können: Wenn zwei Galaxienhaufen kollidieren, erwärmt sich das Gas in ihnen, verlangsamt sich und sendet Röntgenstrahlen aus, während die Masse, die wir mit Gravitationslinsen sehen, der dunklen Materie folgt und durch Röntgenstrahlen ersetzt wird. Diese neue Vorhersage wurde experimentell bestätigt und gilt seit zehn Jahren und liefert eine indirekte Bestätigung für die Existenz dunkler Materie.
MOND hat den Vorteil, galaktische Rotationskurven besser zu erklären als dunkle Materie. Dies ist jedoch keine physikalische Theorie, und sie passt nicht zu allen Beobachtungen, die wir haben. Dunkle Materie existiert - zumindest theoretisch - weil sie uns das gleiche Universum gibt, konsistent, ohne irgendwelche Modifikationen.
Aber MONDs gegenwärtige kosmologische Fehler haben es unter die dunkle Materie gebracht. Lassen Sie ihn alle Erfolge der allgemeinen Relativitätstheorie reproduzieren, neue Phänomene erklären, Vorhersagen treffen, die bestätigt werden können - und Wissenschaftler werden zweifellos zu einem neuen Glauben konvertieren. Immerhin sind sie gute Wissenschaftler.
