Seit Jahrzehnten gehen Astronomen, Physiker und Kosmologen davon aus, dass das Universum mit einem exotischen Material gefüllt ist, das als „Dunkle Materie“ bezeichnet wird und das seltsame Gravitationsverhalten von Galaxien und Galaxienhaufen erklärt.
Die Dunkle Materie macht nach mathematischen Modellen drei Viertel der gesamten Materie im Universum aus. Aber sie wurde nie gesehen oder vollständig erklärt. Und während die dunkle Materie zur vorherrschenden Theorie geworden ist, um eines der größeren Rätsel des Universums zu erklären, haben einige Wissenschaftler nach alternativen Erklärungen dafür gesucht, warum sich Galaxien so verhalten, wie sie es tun.
Nun sagt ein internationales Team von Wissenschaftlern, dass es neue Beweise dafür gefunden hat, dass dunkle Materie vielleicht doch nicht wirklich existiert.
In einer im November im Astrophysical Journal veröffentlichten Studie berichten die Wissenschaftler von winzigen Abweichungen in den Umlaufgeschwindigkeiten entfernter Sterne, die ihrer Meinung nach einen schwachen Gravitationseffekt offenbaren – und zwar einen, der den vorherrschenden Vorstellungen von dunkler Materie ein Ende setzen könnte.
Die Studie legt nahe, dass ein unvollständiges wissenschaftliches Verständnis der Schwerkraft hinter dem steckt, was die Gravitationskraft von Galaxien und Galaxienhaufen zu sein scheint, und nicht riesige Wolken dunkler Materie.
Das könnte bedeuten, dass reine Mathematik und nicht unsichtbare Materie erklären könnte, warum sich Galaxien so verhalten, wie sie es tun, sagte Studienmitautorin Stacy McGaugh, die die Astronomieabteilung an der Case Western Reserve University in Cleveland leitet.
Die neue Forschung berichtet, dass Anzeichen einer schwachen Gravitationsflut, bekannt als „externer Feldeffekt“ oder EFE, statistisch in den Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in mehr als 150 Galaxien beobachtet werden können.
Die Autoren sagen, dass der Effekt nicht durch Theorien zur dunklen Materie erklärt werden kann, sondern durch die so genannte modifizierte Newtonsche Dynamiktheorie (MOND) vorhergesagt wird.
„Was wir wirklich sagen ist, dass es absolut Beweise für eine Diskrepanz gibt“, sagte McGaugh. „Was man sieht, ist nicht das, was man bekommt, wenn man nur Newton und Einstein kennt.“
Astronomen nahmen lange Zeit an, dass Sterne die Zentren von Galaxien mit Geschwindigkeiten umkreisen, die von der Gravitationstheorie vorhergesagt wurden, die der englische Physiker und Mathematiker Isaac Newton vor mehr als 300 Jahren formulierte.
Newton stützte seine Theorie, dass sich Objekte mit einer Kraft anziehen, die sich je nach ihrer Masse ändert, auf Beobachtungen der Planetenbahnen. Mit Verfeinerungen durch die Theorien des deutschstämmigen Physikers Albert Einstein im 20. Jahrhundert ist sie nach wie vor erstaunlich genau.
Beobachtungen des Coma-Galaxienhaufens in den 1930er Jahren durch den Schweizer Astronomen Fritz Zwicky, der damals am California Institute of Technology arbeitete, ergaben jedoch, dass er größeren Gravitationskräften ausgesetzt war als erwartet – ein Effekt, den er auf „dunkle (kalte) Materie“ zurückführte.“
Als die amerikanischen Astronomen Vera Rubin und Kent Ford in den 1970er Jahren Anomalien in den Umlaufbahnen von Sternen in Galaxien entdeckten, stellten viele Wissenschaftler die Theorie auf, dass diese durch Massen von unsichtbarer „dunkler Materie“ in und um Galaxien verursacht werden, und diese Idee hat die Astrophysik seither beherrscht.
Einen Schätzungen zufolge macht die dunkle Materie etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Man sagt, dass sie mit dem Licht und der sichtbaren Materie nur durch die Schwerkraft wechselwirkt und die beobachteten Anomalien in weit entfernten Galaxien erklärt.
Aber sie wurde nie gesehen, und bisher hat niemand vollständig erklärt, was sie sein könnte, obwohl Kandidaten für dunkle Materie auch schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPS), primordiale schwarze Löcher und Neutrinos sind.
MOND wurde in den 1980er Jahren von einem israelischen Physiker, Mordehai Milgrom, formuliert, um die beobachteten Diskrepanzen ohne dunkle Materie zu erklären.
Es schlägt vor, dass die Schwerkraft eine sehr geringe Beschleunigung verursacht, die von Newton und Einstein nicht vorhergesagt wurde, und zwar auf so niedrigem Niveau, dass sie nur in Objekten von Galaxiengröße zu sehen ist; und es würde bedeuten, dass die Erklärung der dunklen Materie nicht notwendig ist.
Bislang hat MOND mehrere wissenschaftliche Tests überstanden – obwohl viele Wissenschaftler sagen, dass es zum Beispiel die Beobachtungen des Bullet-Haufens kollidierender Galaxien nicht erklären kann.
McGaugh gibt zu, dass MOND eine Minderheitenansicht in der Astrophysik ist und dass die meisten Wissenschaftler die Existenz dunkler Materie befürworten – eine Idee, die er selbst befürwortete, bis er vor etwa 25 Jahren begann, seine Meinung zu ändern.
„Früher hätte ich dasselbe gesagt: Es ist absolut bewiesen, dass es dunkle Materie gibt, macht euch keine Sorgen darüber“, sagte er.
Aber viele der Vorhersagen von MOND wurden in astronomischen Beobachtungen gesehen, und die neuesten Forschungen sind ein weiterer Beweis dafür, sagte er.
„MOND ist die einzige Theorie, die auf diese Weise erfolgreich war“, sagte McGaugh. „
Die neue Forschung wirft „eine sehr interessante Frage auf“, sagte Matthias Bartelmann, Professor für theoretische Astrophysik an der Universität Heidelberg in Deutschland, der nicht an der Studie beteiligt war.
„Kann dunkle Materie durch ein anderes Gravitationsgesetz erklärt werden? Es wäre sowohl für die Kosmologie als auch für die Teilchenphysik von großer Bedeutung, wenn dies der Fall wäre“, sagte er in einer E-Mail.
Er bezweifelt jedoch, dass der in der neuen Studie beschriebene „externe Feldeffekt“ wirklich eine einzigartige Vorhersage von MOND ist und dass er nicht durch einige konkurrierende Theorien erklärt werden kann.
Und da die MOND-Theorie formuliert wurde, um die Rotationsunterschiede in Galaxien zu erklären, würde man erwarten, dass ein Test an Galaxien überzeugende Ergebnisse liefert; stattdessen müsse MOND erfolgreich an anderen Objekten wie Galaxienhaufen getestet werden, sagte er.