Don Lincoln ist leitender Wissenschaftler am Fermilab des US-Energieministeriums, Amerikas größter Forschungseinrichtung für große Hadron-Collider. Er schreibt auch über Wissenschaft für die Öffentlichkeit, einschließlich seines kürzlich erschienenen "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die Sie umhauen werden" (Johns Hopkins University Press, 2014). Du kannst ihm auf Facebook folgen. Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.
Viele wissenschaftlich versierte Menschen halten es für selbstverständlich, dass das Universum nicht nur aus Carl Sagans oft zitierten "Milliarden und Abermilliarden" von Galaxien besteht, sondern auch aus einer riesigen Menge einer unsichtbaren Substanz namens Dunkle Materie. Es wird angenommen, dass diese seltsame Materie eine neue Art von subatomaren Teilchen ist, die weder über Elektromagnetismus noch über die starken und schwachen Kernkräfte interagieren. Dunkle Materie soll im Universum fünfmal häufiger vorkommen als die gewöhnliche Materie von Atomen.
Die Realität ist jedoch, dass die Existenz der Dunklen Materie noch nicht bewiesen wurde. Dunkle Materie ist immer noch eine Hypothese, wenn auch eine ziemlich gut unterstützte. Jede wissenschaftliche Theorie muss Vorhersagen treffen, und wenn es richtig ist, sollten die Messungen, die Sie durchführen, mit den Vorhersagen übereinstimmen. Gleiches gilt für dunkle Materie. Zum Beispiel machen Theorien der Dunklen Materie Vorhersagen darüber, wie schnell sich Galaxien drehen. Bisher stimmten die Messungen der detaillierten Verteilung der Dunklen Materie im Zentrum von Galaxien mit geringer Masse nicht mit diesen Vorhersagen überein.
Eine kürzlich durchgeführte Berechnung hat dies geändert. Die Berechnung hilft dabei, das Rätsel der Tully-Fisher-Beziehung zu lösen, bei der die sichtbare oder gewöhnliche Materie einer Galaxie mit ihrer Rotationsgeschwindigkeit verglichen wird. In sehr vereinfachten Worten haben Wissenschaftler herausgefunden, dass sich eine Spiralgalaxie umso schneller dreht, je massereicher (und damit heller) sie ist.
Wenn jedoch dunkle Materie existiert, sollte die Größe einer Galaxie nicht nur durch ihre sichtbare Materie, sondern auch durch ihre dunkle Materie bestimmt werden. Da ein großer Teil der Gleichung - die Menge an dunkler Materie - fehlt, sollte die Tully-Fisher-Beziehung nicht gelten. Und doch tut es das. Es war schwer vorstellbar, diese Beziehung mit der bestehenden Theorie der dunklen Materie in Einklang zu bringen. Bis jetzt.
Ursprünge der Dunklen Materie
Die ersten Anzeichen dafür, dass möglicherweise etwas wie dunkle Materie benötigt wird, stammen aus dem Jahr 1932. Der niederländische Astronom Jan Oort maß die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen in der Milchstraße und stellte fest, dass sie sich zu schnell bewegten, um durch die beobachtete Masse der Galaxie erklärt zu werden.
Sterne umkreisen ihre Elterngalaxie auf nahezu kreisförmigen Wegen, und die Schwerkraft ist die Kraft, die die Sterne in diesen Umlaufbahnen hält. Newtons Gleichungen sagen voraus, dass die Kraft, die die Sterne auf einer Kreisbahn bewegt, F (kreisförmig), gleich der Kraft aufgrund der Schwerkraft auf den Stern F (Schwerkraft) sein sollte, sonst würde der Stern in den Weltraum fliegen oder in diesen fallen das Zentrum der Galaxie. Für diejenigen, die sich an die Physik der High School erinnern, ist F (Rundschreiben) eine Trägheitserklärung und nur Newtons F = ma. F (Schwerkraft) ist das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation.
In der Nähe des Galaxienzentrums stellten Rubin und Ford fest, dass F (kreisförmig) erwartungsgemäß ungefähr gleich F (Schwerkraft) war. Aber weit vom Zentrum der Galaxien entfernt stimmten die beiden Seiten der Gleichung nicht sehr gut überein. Während die Details von Galaxie zu Galaxie variierten, waren ihre Beobachtungen im Wesentlichen universell.
Eine solch dramatische Diskrepanz bedarf der Erklärung. In der Nähe des Galaxienzentrums bedeuteten Rubins und Fords Messungen, dass die Theorie funktionierte, während die Diskrepanz bei größeren Umlaufbahnen bedeutete, dass etwas vor sich ging, das bestehende Theorien nicht erklären konnten. Ihre Erkenntnisse zeigten, dass wir entweder nicht verstehen, wie Trägheit funktioniert (z. B. F (kreisförmig)), oder dass wir nicht verstehen, wie Schwerkraft funktioniert (z. B. F (Schwerkraft)). Eine dritte Möglichkeit besteht darin, dass das Gleichheitszeichen falsch ist, was bedeutet, dass es eine andere Kraft oder einen anderen Effekt gibt, den die Gleichung nicht enthält. Das waren die einzigen Möglichkeiten.
Erklären Sie die Diskrepanzen
In den 40 Jahren seit Rubins und Fords ursprünglicher Arbeit haben Wissenschaftler viele Theorien getestet, um zu versuchen, die gefundenen galaktischen Rotationsdiskrepanzen zu erklären. Der Physiker Mordehai Milgrom schlug eine Modifikation der Trägheit vor, die als "modifizierte Newtonsche Dynamik" oder MOND bezeichnet wird. In seiner ursprünglichen Form postulierte es, dass bei sehr geringen Beschleunigungen die Newtonsche Gleichung F = ma nicht funktionierte.
Andere Physiker haben Änderungen der Gravitationsgesetze vorgeschlagen. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hilft hier nicht weiter, da in diesem Bereich die Vorhersagen von Einstein und Newton im Wesentlichen identisch sind. Und Theorien der Quantengravitation, die versuchen, die Gravitation mit subatomaren Teilchen zu beschreiben, können aus demselben Grund nicht die Erklärung sein. Es gibt jedoch Gravitationstheorien, die Vorhersagen auf galaktischen oder extragalaktischen Skalen treffen, die sich von der Newtonschen Schwerkraft unterscheiden. Das sind also Optionen.
Dann gibt es Vorhersagen, dass neue Kräfte existieren. Diese Ideen werden unter dem Namen "die fünfte Kraft" zusammengefasst, was eine Kraft jenseits der Schwerkraft, des Elektromagnetismus und der starken und schwachen Kernkräfte impliziert.
Schließlich gibt es die Theorie der dunklen Materie: Dass eine Art von Materie, die überhaupt nicht mit Licht interagiert, aber eine Anziehungskraft ausübt, das Universum durchdringt.
Wären die galaktischen Rotationsmessungen die einzigen Daten, die wir haben, könnte es schwierig sein, zwischen diesen verschiedenen Theorien zu wählen. Schließlich könnte es möglich sein, jede Theorie zu optimieren, um das Problem der galaktischen Rotation zu lösen. Aber es gibt jetzt viele Beobachtungen vieler verschiedener Phänomene, die helfen können, die plausibelste Theorie zu identifizieren.
Eine ist die Geschwindigkeit von Galaxien in großen Galaxienhaufen. Die Galaxien bewegen sich zu schnell, als dass die Cluster miteinander verbunden bleiben könnten. Eine andere Beobachtung betrifft Licht von sehr weit entfernten Galaxien. Beobachtungen dieser sehr weit entfernten alten Galaxien zeigen, dass ihr Licht durch den Durchgang durch die Gravitationsfelder nahegelegener Galaxienhaufen verzerrt wird. Es gibt auch Studien über kleine Ungleichmäßigkeiten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, der der Geburtsschrei des Universums ist. Alle diese Messungen (und viele mehr) müssen auch von jeder neuen Theorie berücksichtigt werden, um die galaktischen Rotationsgeschwindigkeiten zu erklären.
Die unbeantworteten Fragen der Dunklen Materie
Die Theorie der Dunklen Materie hat bei der Vorhersage vieler dieser Messungen vernünftige Arbeit geleistet, weshalb sie in der wissenschaftlichen Gemeinschaft sehr geschätzt wird. Dunkle Materie ist jedoch immer noch ein unbestätigtes Modell. Alle bisherigen Beweise für seine Existenz sind indirekt. Wenn dunkle Materie existiert, sollten wir in der Lage sein, Wechselwirkungen der dunklen Materie beim Durchgang durch die Erde direkt zu beobachten, und wir könnten in der Lage sein, dunkle Materie in Beschleunigern für große Teilchen wie dem Large Hadron Collider herzustellen. Und doch war keiner der beiden Ansätze erfolgreich.
Darüber hinaus sollte die Dunkle Materie mit allen, nicht nur vielen astronomischen Beobachtungen übereinstimmen. Dunkle Materie ist zwar das bisher erfolgreichste Modell, aber nicht vollständig erfolgreich. Modelle der Dunklen Materie sagen mehr Zwergsatellitengalaxien voraus, die große Galaxien wie die Milchstraße umgeben, als tatsächlich entdeckt werden. Obwohl mehr Zwerggalaxien gefunden werden, gibt es im Vergleich zu den Vorhersagen der Dunklen Materie immer noch zu wenige.
Eine weitere große, offene Frage ist, wie dunkle Materie die Beziehung zwischen der Helligkeit von Galaxien und ihren Rotationsgeschwindigkeiten beeinflusst. Diese Beziehung, die erstmals 1977 vorgestellt wurde, wird als Tully-Fisher-Beziehung bezeichnet und hat mehrfach gezeigt, dass die sichtbare Masse einer Galaxie gut mit ihrer Rotationsgeschwindigkeit korreliert.
Harte Herausforderungen für die Dunkle Materie
Damit ist die Hintergrundgeschichte beendet. Was ist neu?
Die Tully-Fisher-Beziehung ist eine schwierige Herausforderung für Modelle der Dunklen Materie. Die Rotation einer Galaxie wird durch die Gesamtmenge der darin enthaltenen Materie bestimmt. Wenn dunkle Materie wirklich existiert, ist die Gesamtmenge der Materie die Summe aus gewöhnlicher und dunkler Materie.
Die existierende Theorie der dunklen Materie sagt jedoch voraus, dass jede zufällige Galaxie größere oder kleinere Anteile dunkler Materie enthalten kann. Wenn man also die sichtbare Masse misst, könnte möglicherweise ein großer Teil der Gesamtmasse fehlen. Infolgedessen sollte die sichtbare Masse ein sehr schlechter Prädiktor für die Gesamtmasse (und damit die Drehzahl) der Galaxie sein. Die Masse der Galaxie könnte der der sichtbaren (gewöhnlichen) Masse ähnlich sein oder sie könnte viel größer sein.
Es besteht daher kein Grund zu der Annahme, dass die sichtbare Masse ein guter Prädiktor für die Rotationsgeschwindigkeit der Galaxie sein sollte. Trotzdem ist es so.
In einem in diesem Jahr veröffentlichten Artikel verwendeten Skeptiker der Dunklen Materie Messungen der Tully-Fisher-Beziehung für eine Vielzahl von Galaxien, um gegen die Hypothese der Dunklen Materie und für eine modifizierte Version der Trägheit wie MOND zu argumentieren.
Besser geeignet für dunkle Materie
In einem im Juni veröffentlichten Artikel haben Wissenschaftler den Modellen der Dunklen Materie jedoch einen deutlichen Schub gegeben. Die neue Arbeit reproduziert nicht nur die Erfolge früherer Vorhersagen des Modells der dunklen Materie, sondern auch die Tully-Fisher-Beziehung.
Das neue Papier ist ein "semi-analytisches" Modell, was bedeutet, dass es eine Kombination aus analytischen Gleichungen und Simulation ist. Es simuliert die Verklumpung dunkler Materie im frühen Universum, die möglicherweise die Bildung von Galaxien ausgelöst hat, beinhaltet aber auch die Wechselwirkung gewöhnlicher Materie, einschließlich solcher Dinge wie das Einfallen gewöhnlicher Materie in einen anderen Himmelskörper aufgrund ihrer Anziehungskraft, Sternentstehung und Erwärmung von infallierendem Gas durch Sternenlicht und Supernovae. Durch sorgfältige Abstimmung der Parameter konnten die Forscher die vorhergesagte Tully-Fisher-Beziehung besser anpassen. Der Schlüssel der Berechnung ist, dass die vorhergesagte Rotationsgeschwindigkeit einen realistischen Wert für das Verhältnis von Baryonen zu dunkler Materie in der Galaxie enthält.
Die neue Berechnung ist ein wichtiger zusätzlicher Schritt zur Validierung des Modells der Dunklen Materie. Es ist jedoch nicht das letzte Wort. Jede erfolgreiche Theorie sollte mit allen Messungen übereinstimmen. Nichtübereinstimmung bedeutet, dass entweder die Theorie oder die Daten falsch oder zumindest unvollständig sind. Einige Diskrepanzen zwischen Vorhersage und Messung bleiben bestehen (z. B. die Anzahl kleiner Satellitengalaxien um große Galaxien), aber dieses neue Papier gibt uns die Zuversicht, dass zukünftige Arbeiten diese verbleibenden Diskrepanzen beheben werden. Dunkle Materie bleibt eine stark prädiktive Theorie für die Struktur des Universums. Es ist nicht vollständig und muss validiert werden, indem das tatsächliche Teilchen der dunklen Materie entdeckt wird. Es gibt also noch viel zu tun. Diese jüngste Berechnung ist jedoch ein wichtiger Schritt in Richtung des Tages, an dem wir ein für alle Mal wissen werden, ob das Universum wirklich von der dunklen Seite dominiert wird.
