Im Oktober erlebten LIGO und sein europäisches Gegenstück VIRGO Gravitationswellen, die von einer atemberaubenden Kollision zwischen zwei Neutronensternen herrührten. Dieses beispiellose Ereignis schien ein weiterer Triumph für eine neue Art von Astronomie zu sein, die Gravitationswellen nutzen konnte, um einige der tiefsten Geheimnisse des Universums zu erforschen. Aber in all der Aufregung bemerkten die meisten Menschen nicht, dass etwas gestorben war: eine ganze Gruppe von Theorien, die ein Universum ohne dunkle Materie postulieren.
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Das ist richtig: Eine weniger bekannte Konsequenz der LIGO-Nachrichten ist, dass sich die Debatte über die Dunkle Materie möglicherweise erheblich verändern wird - das Material, das das sichtbare Material und den Biegeraum gravitativ anzuziehen scheint, aber nicht gesehen werden kann . Laut einem Artikel, den Richard Woodard, Professor für Physik an der Universität von Florida, auf dem ArXiv-Preprint-Server veröffentlicht hat, macht die jüngste Beobachtung eine Klasse von Theorien zunichte, die das Verhalten der Schwerkraft auf galaxiengroßen Skalen ohne dunkle Materie erklären wollten.
Woodard stellt fest, dass einige dieser Theorien, die als Modified Gravity (MOG) oder Modified Newtonian Dynamics (MOND) bezeichnet werden, vorhersagen, dass Gravitationswellen und Lichtwellen zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen würden. Dennoch nahm LIGO die Gravitationswellen und das Licht von zwei kollidierenden Neutronensternen innerhalb von etwa 2 Sekunden voneinander auf. Da die Quelle von beiden 130 Millionen Lichtjahre entfernt war, ist das eine Differenz von nur 1 Teil in ungefähr 1, 5 Billionen. Im Wesentlichen kamen sie zur gleichen Zeit an.
Die Arten von Modellen, von denen Woodard spricht, die er "Emulatoren der dunklen Materie" nennt, versuchen, die Auswirkungen der dunklen Materie zu duplizieren, indem sie annehmen, dass sich die Schwerkraft anders verhält, als die meisten Wissenschaftler glauben. "Unser Artikel schließt definitiv nicht alle modifizierten Gravitationsmodelle aus, die auf dunkle Materie verzichten", stellte Woodard klar. "Es gilt nur für die große Klasse von ihnen."
Doch während sie vielleicht einem Schlag ausgesetzt waren, gehen Theoretiker der Dunklen Materie nicht kampflos unter.
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In Albert Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie wird der Raum durch massive Objekte gekrümmt. Ein Photonenstrahl - auch Licht genannt - bewegt sich auf der kürzesten Strecke zwischen zwei Punkten (was nicht immer eine gerade Linie ist). Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Gravitationswellen und Licht sich auf denselben Linien oder Metriken bewegen.
Aber obwohl die allgemeine Relativitätstheorie in letzter Zeit bestätigt wurde, ist dies nicht das letzte Wort. Bei einigen alternativen Gravitationstheorien bewegten sich die Gravitationswellen auf einem anderen Weg oder einer anderen Metrik als das Licht. Um diesen Effekt zu erzielen, müsste eine modifizierte Gravitationstheorie davon ausgehen, dass die Bahnen der Gravitationswellen nur von der sichtbaren Materie beeinflusst werden, wohingegen Licht (Photonen) von der sichtbaren Materie beeinflusst wird und alle Doppeleffekte, die wie dunkle Materie aussehen.
In diesem Szenario würden Gravitationswellen und Licht zu sehr unterschiedlichen Zeiten eintreffen. Aber da LIGO gesehen hat, dass beide so nahe beieinander liegen, scheint es ein schlagkräftiger Beweis dafür zu sein, dass die Schwerkraft so funktioniert, wie es Einsteins Theorie sagt - was wiederum den Fall für dunkle Materie stützen würde.
Lange vor LIGO waren einige Physiker mit der Dunklen Materie unzufrieden und entwickelten andere Theorien, die erklären wollten, was Astronomen sehen. Eine Reihe von Theorien ist als Tensor-Vektor-Skalar-Schwerkraft (TeVeS) bekannt, die der Schwerkraft ein zusätzliches Feld hinzufügt. Von Jacob Bekenstein im Jahr 2004 entwickelt, geriet es bereits in Flammen, weil es Neutrinos zu erfordern schien, die massereicher waren als von den Physikern bisher angenommen und nicht immer stabile Sterne hervorbrachten. Die Skalartensor-Vektor-Schwerkraft (STVG) fügt ebenfalls ein weiteres Feld hinzu, allerdings auf eine andere Weise als TeVeS. Die Theorie besagt, dass die Schwerkraft stärker wird, wenn Sie vom Sonnensystem zu Galaxien und dann zu Galaxienhaufen aufsteigen. Es sind diese beiden Klassen von Theorien, von denen Woodard sagt, dass sie von den neuesten Daten ausgeschlossen werden.
Man könnte meinen, die Physiker würden endlich akzeptieren, dass dunkle Materie da draußen ist, in welcher Form auch immer. Recht? Nun, die Befürworter der modifizierten Schwerkraft sagen, dass sie noch nicht fertig sind.
John Moffat, ein Forscher am Perimeter Institute in Waterloo, Kanada, sagt, Woodard habe seine Theorie einfach falsch charakterisiert. "Sie liefern keine Erklärung, warum mein MOG gefälscht ist", sagte er in einer E-Mail. "Es ist wahr, dass diese MOND-Theorien durch die Neutronenstern-Fusionsdaten ausgeschlossen werden. Daher scheint es, dass mein MOG die einzige überlebende Gravitationstheorie ist, die die Daten von Galaxien, Galaxienhaufen und Kosmologie ohne nachweisbare dunkle Materie im gegenwärtigen Universum erklären kann . " Moffat sagt, dass seine Theorie tatsächlich vorhersagt, dass Licht- und Gravitationswellen zur gleichen Zeit eintreffen würden.
"Der beste Weg, dieses Ergebnis zu interpretieren, ist nicht, zu beweisen, dass die Dunkle Materie korrekt ist, sondern zu beschränken, wie modifizierte Gravitationstheorien konstruiert werden müssen, wenn sie darauf verzichten wollen", sagte Woodard.
Verschiedene Wege
In den 1970er Jahren stellte die verstorbene Astronomin Vera Rubin, damals an der Carnegie Institution, fest, dass sich die sichtbare Materie nicht langsamer bewegte, wenn man das galaktische Zentrum verließ (die Art, wie sich Planeten langsamer bewegten, wenn man sich von der Sonne entfernte). Zu einem bestimmten Zeitpunkt bewegte sich alles mit der gleichen Geschwindigkeit. Entweder gab es eine Menge diffuser Masse um die Galaxien, die wir nicht sehen konnten, oder die Schwerkraft verhielt sich auf eine Weise, die vorher nicht erkennbar war.
Frühe Erklärungen für die unsichtbare Materie schlossen ein: Gas, Schurkenplaneten, Neutrinos und sogar Schwarze Löcher. Schließlich wurden alle zugunsten der gegenwärtigen Auffassung von Dunkler Materie verworfen, die aus etwas besteht, das nur über die Schwerkraft interagiert.
Einige Physiker hielten die Idee der Dunklen Materie jedoch für zu praktisch, etwas, das nur erfunden wurde, um die Mathematik zum Laufen zu bringen. Vielleicht wirkte die Schwerkraft in verschiedenen Maßstäben unterschiedlich, und die allgemeine Relativitätstheorie erklärte dies einfach nicht.
Mordehai Milgrom, emeritierter Professor am Weizmann-Institut für Wissenschaft in Israel, war einer der frühen MOND-Theoretiker, der seine Version in den 1980er Jahren vorgeschlagen hatte. Im Kern schlägt seine Theorie vor, dass sich die Gravitationsdynamik ändert, wenn die durch die Gravitationskraft verursachten Beschleunigungen eine bestimmte Grenze unterschreiten. Er geht auch davon aus, dass sich Schwerkraft und Licht auf unterschiedlichen Metriken bewegen.
Zusammengenommen stellten diese Theorien zumindest die Andeutungen von Problemen mit der Dunklen Materie dar, wenn nicht sogar eine ernsthafte Bedrohung - bis jetzt. “
Dunkle Materie FTW
Dunkle Materie erklärte nicht nur Rotationskurven. Es wurden auch Beobachtungen zur Gravitationslinse gemacht - die Biegung des Lichts durch massive Objekte. Wenn wir entfernte Galaxien betrachten, sehen wir Objekte dahinter wie durch eine Linse, je nach Relativitätstheorie. Das Licht wird um einen Betrag gebogen, der nicht durch die sichtbare Masse erklärt werden kann. Dies war ein weiterer Beweis für dunkle Materie (oder ähnliches).
Dunkle Materie kann auch erklären, warum der kosmische Mikrowellenhintergrund so aussieht, wie er aussieht: Er ist im Durchschnitt einheitlich, aber in kleineren Maßstäben klumpig, wie man es in einem Universum mit dunkler Materie erwarten würde. "Eine Alternative zu Theoretikern der Dunklen Materie ist, dass man keine Unebenheiten im [kosmischen Mikrowellenhintergrund] bekommt, wenn man keine Dunkle Materie hat", sagt Will Kinney, Professor für Physik am Universität in Buffalo. "Meines Wissens hatte keine der alternativen Theorien zur Dunklen Materie jemals eine Erklärung für Unebenheiten im Spektrum (kosmischer Mikrowellenhintergrund). Das an sich sagt mir, dass diese Theorien nicht funktionieren werden."
Ein gutes Beispiel ist der Bullet-Cluster, eine Raumregion, in der zwei Galaxienhaufen kollidieren. Beobachtungen des Clusters zeigen Linseneffekte, die nicht mit der sichtbaren Materie darin übereinstimmen. Wenn man jedoch annimmt, dass dunkle Materie vorhanden ist, sich aber noch nicht um den Cluster herum angesiedelt hat, passt die Linse zur Theorie der dunklen Materie, sagte Kinney.
Der Fall für MOND
Trotzdem begegnen die Architekten der modifizierten Schwerkraft den Problemen, die die Dunkle Materie hat. Eine ist eine Anomalie um den Bullet Cluster - die gleiche, von der die meisten sagen würden, dass sie die Theorie der dunklen Materie unterstützt. Nach einigen Beobachtungen beschleunigt sich der Bullet Cluster zu schnell; Selbst wenn dunkle Materie angenommen wird, sind die Geschwindigkeiten "falsch". Außerdem sagt die Dunkle Materie die Rotationsgeschwindigkeiten einiger Galaxien weniger gut voraus als die modifizierte Schwerkraft.
Darüber hinaus erscheinen einige Galaxien, die weniger sichtbare Materie zu haben scheinen, noch massereicher. Das könnte an viel dunkler Materie liegen, aber es gibt keinen bestimmten Grund, der der Fall sein sollte. MOND-Theorien schneiden in dieser Hinsicht besser ab. "MOND hat mehr Vorhersagekraft. Man kann es verwenden, um die Kinematik von scheinbar von Dunkler Materie dominierten Galaxien vorherzusagen. Sie können nicht dieselbe Vorhersage mit Dunkler Materie treffen. Alles, was Sie sagen können, ist: Ich wette, dass Galaxien mit niedriger Oberflächenhelligkeit viel Dunkelheit haben Materie! "sagte Stacy McGaugh, eine Astrophysikerin an der Case Western Reserve University, die an modifizierten Gravitationstheorien gearbeitet hat.„ Dies basiert auf früheren Erfahrungen, nicht auf der Theorie, für die es keine vereinbarte Vorhersage gibt. "
Ein weiteres Problem ist die Verteilung der Angelegenheit. Milgrom stellt fest, dass in fast allen bisher beobachteten Galaxien die Rotationskurven bis zu einem Punkt, an dem die durch die Schwerkraft verursachte Beschleunigung in Richtung des Zentrums etwa ein Zehnmilliardstel Meter pro Sekunde im Quadrat beträgt, dieselbe Form haben (etwa dieselbe) Schwerkraft, die jemand zwei Meter von einem 10-Kilogramm-Gewicht entfernt spürt).
Wenn dunkle Materie existiert, würde man nicht erwarten, dass sie immer so verteilt ist. Es wäre, als würde man in alle Länder der Erde gehen und feststellen, dass die Einkommensverteilung trotz der sehr unterschiedlichen Geschichte der einzelnen Länder genau gleich war.
"Im Paradigma der [dunklen Materie] ist die heutige Dynamik das Ergebnis der komplizierten, katastrophalen und unerklärlichen Geschichte der einzelnen untersuchten Galaxie: Wie viele Fusionen erlebte und wie gewalttätig sie waren, als Baryonen ausgestoßen wurden die Galaxie aufgrund von verschiedenen schlecht verstandenen Prozessen usw. ", sagt er. MOND-Theorien, fügte er hinzu, könnten die Galaxienbewegung in dieser Hinsicht besser vorhersagen.
Sogar Milgrom räumt ein, dass es einige Bereiche gibt, die die MOND-Theorien selbst in ihren relativistischen MOG-Versionen nicht so gut vorhersagen - zum Beispiel nicht den beobachteten kosmischen Mikrowellenhintergrund. "Wir brauchen eine Erweiterung von MOND, die die Kosmologie berücksichtigt. Daran arbeiten wir."
Sabine Hossenfelder, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Frankfurter Institut für Höhere Studien in Deutschland, ist sich einig, dass Woodards Beobachtung einige Arten von MOND oder MOG überflüssig machen würde, ist aber auch nicht überzeugt, dass dunkle Materie die Antwort ist. "Es ist mit ziemlicher Sicherheit richtig, dass die Beobachtung Theorien mit den Annahmen ausschließt, die sie in der Zeitung aufführen. Es ist jedoch unklar, welche modifizierten Gravitationstheorien tatsächlich die Annahmen erfüllen", sagte sie. In ihrem Blog stellte sie fest, dass dunkle Materie auf allen Skalen funktioniert, während modifizierte Gravitation für die Kosmologie nicht so gut funktioniert.
Ethan Siegel, ein Astrophysiker und Autor, sagte, dass die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass viele veränderte Gravitationsfelder durch die LIGO-Beobachtungen aufgehoben werden. Wie Hossenfelder glaubt er, dass das Problem für MOND die Skalen sind, die es beschreibt. "Moffat hat recht: MOND ist auf galaktischen Skalen besser als dunkle Materie. Betrachtet man einzelne Galaxien und ihre dynamischen Eigenschaften, hat MOND den Vorteil. MOND schlägt jedoch auf allen anderen Skalen fehl." Einige von Milgroms Theorien könnten überleben - wenn Milgroms Behauptung, dass die Schwerkraft anderen Regeln gehorcht als die Materie im Universum, z. B. wahr ist. "Dies ist eine Theorie, die diese Gravitationswellenergebnisse möglicherweise noch überlebt."
Und trotz seiner Arbeit an Alternativen zur Schwerkraft sagte McGaugh, dass es Dinge gibt, für die nur dunkle Materie Sinn machen kann. "Ich verstehe nicht, wie ich den kosmischen Mikrowellenhintergrund oder die Galaxienhaufen (alle reichen Haufen, nicht nur die Kugelhaufen) ohne ihn erklären kann", sagt er Ich sehe keine andere Erklärung. " Gleichzeitig ist er noch keiner Seite verpflichtet. "Beide überzeugen nicht", sagt er.
Mit anderen Worten: Erwarten Sie, dass die Debatte auf absehbare Zeit weiter tobt - mit der Kraft zweier Neutronensterne, die zusammenstoßen.
