Die Idee zur Dunklen Materie und Dunklen Energie

Durch Beobachtungen von Galaxien und entsprechenden Simulationen wurde festgestellt, dass die Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen und anderen stellaren Objekten in den äußeren Bereichen von Galaxien zu hoch sind. Durch die Konzentration der sichtbaren Materie im Zentrum der Galaxien müssten die Umlaufgeschwindigkeit in den äußeren Bereichen von Galaxien abnehmen. Entsprechende Messungen der Doppler-Verschiebung zeigt jedoch genau das Gegenteil: Die Umlaufgeschwindigkeit bleibt konstant oder steigt sogar.

Deshalb kommt man zu der Vermutung, dass es in diesen Breichen neben Sternen, Staub oder Gasen eine weitere unsichtbare Art von Masse gibt - eben Dunkle Materie.

Ihre Existenz wird durch weitere astronomische Beobachtungen wie die Dynamik von Galaxienhaufen oder Gravitationslinsen nahegelegt, die diese Effekte durch die sichtbare Materie allein nicht erklärbar sind, wenn man die anerkannten Gravitationsgesetze zugrunde legt.

Messungen im Rahmen des Standardmodells der Kosmologie lassen vermuten, dass der Anteil der Dunklen Materie an der Gesamtmasse im Universum etwa fünfmal so hoch ist wie derjenige der gewöhnlichen sichtbaren Materie. Auch Photonen und Neutrinos zählen als Materie, sind aber gleichmäßig verteilt und an den beobachteten Gravitationseffekten nicht wesentlich beteiligt.

Das Problem von Dunkler Materie und Dunkler Energie

Das Problem von Dunkler Materie und Dunkler Energie ist, dass sie bisher in keinster Form nachgewiesen werden konnten. Alle Kandidaten wie z.B. kaltes Gas, kalte Staubwolken, Braune Zwerge, Neutrinos oder aber auch sehr exotische Teilchen wie WIMPS oder das hypothetische Axion können weder Dunkle Materie noch Dunkle Energie erklären.

So würde sich z.B. kaltes Gas unter bestimmten Umständen erwärmen und selbst riesige Gasmengen können nicht die benötigte Masse aufbringen. Das gleiche gilt für Stauwolken und auch Braune Zwerge kommen nicht in genügend großer Anzahl vor. 

Neutrinos haben eine zu kleine Masse und WIMPS und Axionen sind nur postulierte Teilchen und konnten selbst noch nicht beobachtet werden.

Da auch im Labor ein direkter Nachweis von Dunkler Materie und Dunkler Energie noch nicht geglückt ist, gilt deren Zusammensetzung bisher als unbekannt - vorausgesetzt sie existieren überhaupt.

Die Mond-Theorie als Alternative

Die modifizierte newtonsche Dynamik, abgekürzt MOND, ist eine physikalische Hypothese, die das Rotationsverhalten von Galaxien durch Modifikationen der Bewegungsgleichungen der Materie im Gravitationsfeld erklären soll und als Alternative zur Dunklen Materie vom israelischen Physiker Mordehai Milgrom 1983 vorgeschlagen wurde.

Statt zusätzlicher, nicht sichtbarer Masse postulierte Milgrom, dass eine Änderung der newtonschen Bewegungsgesetze die Ursache für die nicht erklärbaren Rotationskurven sein könnte. Der Kern der MOND-Theorie sagt, dass bei extrem kleinen Beschleunigungen die Äquivalenz von träger und schwerer Masse nicht mehr gilt. Damit ist gemeint, dass diese Äquivalenzänderungen nur bei sehr kleinen Beschleunigungen - eben wie sie im astronomischen Maßstab auftreten - einen relevanten Einfluss auf die Bewegung haben.

Befürworter der MOND-Hypothese führen an, dass die newtonsche Gravitationstheorie von 1686 bereits drei Modifikationen erfahren hat. Bei sehr kleinen Abständen verwenden Physiker ausschließlich die Quantenmechanik, bei sehr großen Geschwindigkeiten Einsteins spezielle Relativitätstheorie und nahe sehr großer Massen seine allgemeine Relativitätstheorie. Eine vierte Modifikation im oben genannten Extrembereich sei daher nicht ausgeschlossen.

TeVeS - Eine Erweiterungen der MOND-Theorie

Die MOND-Theorie ist im wesentlichen eine Erweiterung von Newtons Gravitationsgesetzen. Da im Universum jedoch viele Beobachtungen nur mit relativistischen Modellen zu verstehen sind, muss sich die MOND-Theorie auch hier bestätigen.

Die ersten Versuche einer relativistischen Verallgemeinerung von MOND schlugen allerdings fehl. In weiteren Theorien - wie z.B. bei RAQUAL (Relative Aquadratic Lagrangian Theory) - traten akausale Überlichtgeschwindigkeitseffekte auf.

Erst mit einer Theorie namens TeVeS (Tensor-Vector-Scalar theory of gravity) konnten entsprechende Probleme beseitigt werden. TeVeS wurde 2004 erstmals von Jacob Bekenstein formuliert und wird seither weiterentwickelt. Die Bezeichnung Tensor-Vector-Scalar macht deshalb Sinn, da diese neue Gravitationstheorie mittels eines Skalars und einem Tensor - einem zeitartigen Vektor - definiert wird. Das ist ein klarer Unterschied zu Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie in der die Raumgeometrie mittels eines einzigen Tensors konstruiert ist.

Was bedeutet dies nun? Im Gegensatz zur Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Abhängigkeit der Gravitationsstärke von der Entfernung zur Masse, welche die Gravitation verursacht, anders formuliert. Durch die Einführung des oben genannten Skalarfeldes - einer zusätzlichen Kraft - wirkt diese Kraft auf die Bewegung von Körpern in einem Schwerefeld, nicht jedoch auf die von Licht.

Zudem deutet sich in einigen TeVeS-Modellen sogar an, dass auch auf die rätselhafte Dunkle Energie verzichtet werden kann.

Fazit

Die MOND-Theorie und TeVeS sind also nicht nur Alternativen zur Dunklen Materie und Dunklen Energie, sondern rütteln auch am Fundament von Einsteins Relativitätstheorie. Denn wer das Newtonsche Gravitationsgesetz ändert, der muss auch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie korrigieren.

Interessant ist, dass heute noch viele Physiker und Astronomen an den gut überprüften newtonschen Gravitationsgesetzen wie auch an Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie hängen bzw. sich regelrecht daran fest klammern.

Wir dürfen deshalb gespannt sein, was die Zukunft bringt und ob auch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in eine weit umfassendere Theorie eingebettet werden muss, wie davor schon die Newtonsche Mechanik.

"Wie auch immer die Diskussion zwischen den Verfechtern und Skeptikern bezüglich Dunkler Materie ausgehen wird. Es gilt, eines der größten Rätsel in der modernen Physik zu lösen.", wie in dem Welt-Artikel Physiker stellen Newton auf den Kopf nachzulesen ist.

Hans, am 03.10.2016
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