Aktuelle Theorien beschreiben unser Universum möglicherweise nicht sehr genau. Bildnachweis: Brüsseler Museum der Schönen Künste und Weltraumteleskop-Institut. klicken um zu vergrößern
Ein chinesischer Astronom von der University of St. Andrews hat Einsteins bahnbrechende Gravitationstheorie verfeinert und eine „einfache“ Theorie entwickelt, die ein dunkles Rätsel lösen könnte, das Astrophysiker seit einem Dreivierteljahrhundert verblüfft.
Ein neues Gesetz für die Schwerkraft, das von Dr. Hong Sheng Zhao und seinem belgischen Mitarbeiter Dr. Benoit Famaey von der Freien Universität Brüssel (ULB) entwickelt wurde, soll beweisen, ob Einsteins Theorie tatsächlich richtig war und ob das astronomische Geheimnis der Dunklen Materie tatsächlich existiert. Ihre Forschung wurde am 10. Februar in den US-amerikanischen Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Ihre Formel legt nahe, dass die Schwerkraft mit der Entfernung weniger stark abfällt als in Einstein und sich subtil von Sonnensystemen zu Galaxien und zum Universum ändert.
Theorien der Schwerkraftphysik wurden erstmals 1687 von Isaac Newton entwickelt und 1905 von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie verfeinert, um eine leichte Biegung zu ermöglichen. Obwohl es sich um die früheste bekannte Kraft handelt, ist die Schwerkraft immer noch ein Rätsel, wobei Theorien durch astronomische Beobachtungen im Weltraum noch nicht bestätigt werden.
Das „Problem“ mit den goldenen Gesetzen von Newton und Einstein ist, dass sie zwar auf der Erde sehr gut funktionieren, aber die Bewegung von Sternen in Galaxien und die Biegung von Licht nicht genau erklären. In Galaxien drehen sich Sterne schnell um einen zentralen Punkt, der durch die Anziehungskraft der Materie in der Galaxie in der Umlaufbahn gehalten wird. Astronomen stellten jedoch fest, dass sie sich zu schnell bewegten, um von ihrer gegenseitigen Schwerkraft gehalten zu werden - daher sollte nicht genug Schwerkraft vorhanden sein, um die Galaxien zusammenzuhalten, stattdessen sollten Sterne in alle Richtungen abgeworfen werden!
Die Lösung für dieses Problem, die Fritz Zwicky 1933 vorschlug, bestand darin, dass sich in den Galaxien unsichtbares Material befand, das genug Schwerkraft aufwies, um die Galaxien zusammenzuhalten. Da dieses Material kein Licht aussendet, nennen es Astronomen "Dunkle Materie". Es wird angenommen, dass es bis zu 90% der Materie im Universum ausmacht. Nicht alle Wissenschaftler akzeptieren jedoch die Theorie der Dunklen Materie. Eine konkurrierende Lösung wurde 1983 von Moti Milgrom vorgeschlagen und 2004 von Jacob Bekenstein unterstützt. Anstelle des Vorhandenseins von unsichtbarem Material schlug Milgrom vor, dass das Verständnis der Astronomen für die Schwerkraft falsch sei. Er schlug vor, dass eine Erhöhung der Schwerkraft gewöhnlicher Materie die Ursache für diese Beschleunigung ist.
Milgroms Theorie wurde seitdem von einer Reihe von Astronomen bearbeitet, und Dr. Zhao und Dr. Famaey haben eine neue Formulierung seiner Arbeit vorgeschlagen, die viele der Probleme überwindet, mit denen frühere Versionen konfrontiert waren.
Sie haben eine Formel entwickelt, die es der Schwerkraft ermöglicht, sich über verschiedene Entfernungsskalen kontinuierlich zu ändern, und vor allem die Daten für die Beobachtung von Galaxien anpasst. Galaxiendaten gleich gut in das konkurrierende Paradigma der Dunklen Materie zu integrieren, wäre ebenso schwierig wie das Balancieren eines Balls auf einer Nadel, was die beiden Astronomen dazu motivierte, eine alternative Schwerkraftidee zu untersuchen.
Der Legende nach begann Newton über die Schwerkraft nachzudenken, als ein Apfel auf seinen Kopf fiel, aber laut Dr. Zhao: „Es ist nicht offensichtlich, wie ein Apfel in eine Galaxie fallen würde. Die Theorie von Herrn Newton würde mit großem Abstand abweichen - sein Apfel würde aus der Milchstraße fliegen. Die Bemühungen, den Apfel auf einer schönen Umlaufbahn um die Galaxie wiederherzustellen, haben im Laufe der Jahre zu zwei Gedankengängen geführt: Dunkle Materie versus nicht-Newtonsche Schwerkraft. Teilchen der Dunklen Materie stammen auf natürliche Weise aus der Physik, haben schöne Symmetrien und erklären die Kosmologie auf wunderbare Weise. Sie neigen dazu, überall zu sein. Das wahre Rätsel ist, wie man sie von einigen Ecken des Universums fernhält. Auch Dunkle Materie geht Hand in Hand mit Dunkler Energie. Es wäre schöner, wenn es eine einfache Antwort auf all diese Geheimnisse gäbe. “
Dr. Zhao, PPARC Advanced Fellow an der University of St. Andrews, Fakultät für Physik und Astronomie und Mitglied der Scottish Universities Physics Alliance (SUPA), fuhr fort: „Es gab immer eine faire Chance, dass Astronomen das Gesetz der Schwerkraft umschreiben könnten. Wir haben eine neue Formel für die Schwerkraft entwickelt, die wir "die einfache Formel" nennen und die eigentlich eine Verfeinerung der von Milgrom und Bekenstein ist. Es stimmt mit den bisherigen Galaxiendaten überein, und wenn seine Vorhersagen für das Sonnensystem und die Kosmologie weiter verifiziert werden, könnte es das Rätsel der Dunklen Materie lösen. Möglicherweise können wir häufig gestellte Fragen beantworten, z. B. ob Einsteins Gravitationstheorie richtig ist und ob die sogenannte Dunkle Materie tatsächlich existiert. “
„Eine nicht-Newtonsche Gravitationstheorie ist jetzt auf allen Skalen durch eine glatte stetige Funktion vollständig spezifiziert. Es ist bereit für andere Wissenschaftler zu fälschen. Es ist Zeit, offen für neue Felder zu sein, die in unserer Formel vorhergesagt werden, während wir unsere Suche nach Partikeln der Dunklen Materie fortsetzen. “
Die neue Formel wird im April einem internationalen Workshop im Royal Observatory in Edinburgh vorgestellt, bei dem die überarbeitete Theorie getestet und diskutiert werden kann. Dr. Zhao und Dr. Famaey werden ihre neue Formel einem Publikum von Experten für Dunkle Materie und Schwerkraft aus zehn verschiedenen Ländern vorstellen.
Dr. Famaey kommentierte: „Es ist möglich, dass weder die modifizierte Gravitationstheorie noch die Theorie der Dunklen Materie, wie sie heute formuliert werden, alle Probleme der galaktischen Dynamik oder Kosmologie lösen werden. Die Wahrheit könnte im Prinzip dazwischen liegen, aber es ist sehr plausibel, dass uns etwas Grundlegendes an der Schwerkraft fehlt und dass ein radikal neuer theoretischer Ansatz erforderlich sein wird, um all diese Probleme zu lösen. Trotzdem ist unsere Formel so attraktiv einfach, dass es verlockend ist, sie als Teil einer noch unbekannten fundamentalen Theorie zu betrachten. Alle Galaxiendaten scheinen mühelos erklärt zu werden. “
Originalquelle: PPARC-Pressemitteilung
