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Gibt es Dunkle Materie?

Das All besteht größtenteils aus einer unsichtbaren Substanz von unbekannter Art - meinen die meisten Astrophysiker. Doch vielleicht gibt es eine bessere Antwort.


Von allen offenen Fragen der modernen Astronomie ist sicher keine so geheimnisvoll wie das Wesen der Dunklen Materie. Die meisten Astronomen glauben, das Universum sei von großen Mengen unbekannten Materials erfüllt. Wie die Zuschauer eines Puppentheaters, die aus dem Zappeln der Marionetten auf einen verborgenen Puppenspieler schließen, folgern Wissenschaftler aus unerklärlichen Bewegungen der sichtbaren Himmelsobjekte, dass eine unsichtbare Form von Materie die Fäden ziehen muss. Doch dieses dunkle Medium entzieht sich bislang jedem Versuch der Astronomen und Physiker, sein Geheimnis zu lüften. Inzwischen haben einige von uns den Verdacht, dass diese Substanz gar nicht existiert, und manche beginnen diese Vermutung ernst zu nehmen.

Das Problem der Dunklen Materie ergibt sich aus einer Diskrepanz zwischen beobachteten und berechneten Massen in Galaxien und großräumigen kosmischen Strukturen. Die Bestandteile solcher Systeme – Sterne und Gas in Galaxien, Gas und Galaxien in Galaxienhaufen – werden in ihrer Bewegung durch die Gravitationsanziehung der übrigen Objekte im Zaum gehalten. Die physikalischen Gesetze teilen uns mit, wie groß die insgesamt vorhandene Masse sein muss, damit das System sich nicht auflöst. Das Problem ist nur, dass die Astronomen viel weniger Masse beobachten, als dafür notwendig wäre.

Diese Massendiskrepanz ist allgegenwärtig. Sie tritt in fast allen Systemen auf – von Zwerggalaxien über normale Galaxien und Galaxiengruppen bis zu riesigen Superhaufen. Sie beträgt in manchen Systemen nur wenig mehr als die sichtbare Masse, in anderen Fällen jedoch das Hundertfache und mehr.

Die Diskrepanz macht sich nicht nur in wohlgeformten Spiralgalaxien bemerkbar, sondern auch in der Entwicklungsgeschichte des gesamten Universums. Lange bevor sich Galaxien bildeten, war das All von einem Plasma aus Atomkernen und subatomaren Teilchen erfüllt. Strahlung durchdrang das Plasma und sorgte dafür, dass es extrem homogen blieb.

Im Schutz der Dunkelheit

Erst als das Plasma zu einem neutralen Gas wurde, das weniger stark mit Strahlung wechselwirkte, bekamen Dichteschwankungen eine Chance, anzuwachsen und Galaxien zu bilden. Wir wissen, wann dieser Übergang stattfand und wie groß die Dichtefluktuationen damals waren. Das Problem ist nur, dass dann einfach nicht genug Zeit blieb, damit aus diesen Fluktuationen heutige Galaxien wurden. Dunkle Materie wäre die Lösung, da sie per Definition neutral ist und somit nicht durch Strahlung homogenisiert wird. Deshalb hätte sie sich von Anfang an kontrahieren können und hätte genügend Zeit gehabt, Objekte von der Größe ganzer Galaxien zu bilden.

Offensichtlich besteht ein Teil der zusätzlichen Masse aus ganz normaler Materie, die nur zu wenig Strahlung abgibt, um mit heutiger Technik entdeckt zu werden: Planeten, Zwergsterne, warmes Gas. All dies sollte präziser leuchtschwache Materie heißen. Sie könnte bis zum Zehnfachen der beobachteten Materie ausmachen – aber auch das wäre doch nur ein Bruchteil der fehlenden Masse. Wenn Wissenschaftler von Dunkler Materie reden, meinen sie in der Regel eine exotische Form von Materie, die für den fehlenden Rest verantwortlich ist. Um die Verwirrung noch zu steigern, vermuten Forscher zusätzlich die Existenz einer so genannten dunklen Energie, die für die kürzlich entdeckte beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich sein soll – denn dieses Phänomen ist weder mit normaler noch mit Dunkler Materie zu erklären (siehe "Die Quintessenz des Universums" von Jeremiah P. Ostriker und Paul J. Steinhardt, Spektrum der Wissenschaft 03/2001, S. 32).

Alles in allem glauben die meisten Astronomen, dass das heutige Universum zu annähernd vier Prozent aus normaler – oder "baryonischer" – Materie besteht, von der ungefähr ein Zehntel als Gas und Sterne sichtbar ist; zu einem Drittel aus Dunkler Materie einer unbekannten Art; und zu zwei Dritteln aus dunkler Energie, über deren Wesen wir praktisch noch gar nichts wissen.

Wenn wir an den akzeptierten physikalischen Gesetzen festhalten, bleibt den Astronomen als einzige Erklärung für die verschiedenen Massendiskrepanzen nur die Dunkle Materie. Doch falls wir eine Abweichung von den Standardgesetzen hinnehmen, können wir auf die hypothetische Substanz verzichten.

Der Eindruck, die Bewegungen innerhalb der galaktischen Systeme seien durch unsichtbare Massen geprägt, folgt aus der Anwendung einer einzigen Formel der Newton'schen Physik. Diese Formel verbindet zwei grundlegende Gesetze: einerseits Newtons Gravitationsgesetz, das die Schwerkraft zwischen zwei Körpern mit ihren Massen und ihrem Abstand in Beziehung setzt, und andererseits das zweite Newton'sche Gesetz, das Kraft mit Beschleunigung verbindet. Die Beschleunigung, die ein Körper auf seiner Umlaufbahn um ein Gravitationszentrum erfährt, hängt von der Bahngeschwindigkeit und dem Bahnradius ab. Daraus folgt die Formel für den Zusammenhang zwischen Masse, Geschwindigkeit und Bahnradius.

Die Alternative: "Mond"

Diese Gesetze beschreiben die Bahn eines Geschosses und die Bewegungen der Planeten sehr genau. Aber ihre Extrapolation auf Galaxien wurde nie direkt getestet. Was, wenn die Newton'sche Mechanik für solche Größenordnungen versagt? Dann könnte sie vielleicht so modifiziert werden, dass die Dunkle Materie sich erübrigt.

Eine solche Modifikation wäre nicht ohne Beispiel. Immerhin haben sich schon zwei drastische Änderungen der Newton'schen Physik als notwendig erwiesen. Die erste führte zur Relativitätstheorie – sowohl zur Speziellen, die das zweite Newton'sche Gesetz abänderte, als auch zur Allgemeinen, die das Gravitationsgesetz völlig neu formulierte. Eine zweite Modifikation führte zur Quantentheorie, die das Verhalten mikroskopischer – in Spezialfällen auch makroskopischer – Systeme beschreibt. Diese bewährten Erweiterungen der Newton'schen Dynamik wirken sich in der Regel nur unter extremen Bedingungen merklich aus – zum Beispiel die Spezielle Relativitätstheorie bei sehr hohen Geschwindigkeiten, die Allgemeine bei extrem starker Gravitation. Für die meisten Vorgänge in Galaxien gilt keine dieser Bedingungen.

Welche Eigenschaften galaktischer Systeme sind so extrem, dass sie eine weitere Modifikation erfordern könnten? Das Erste, was einem in den Sinn kommt, ist ihre gigantische Größe: Vielleicht weicht die Schwerkraft über so enorme Entfernungen vom Newton'schen Gravitationsgesetz ab. Schon 1923 schlug der englische Astronom James H. Jeans für galaktische Größenordnungen eine Änderung der Abhängigkeit des Gravitationsgesetzes vom Abstand vor. Allerdings hatten seine Überlegungen noch nichts mit dem Problem der Dunklen Materie zu tun und fußten auf Beobachtungen, die sich später als falsch erwiesen.

Eine andere modifizierte Entfernungsabhängigkeit der Gravitation schlug Arrigo Finzi, damals an der Universität von Rom, im Jahre 1963 vor, um das Problem der Dunklen Materie in Galaxienhaufen aus der Welt zu schaffen. Doch Anfang der 1980er Jahre zeigte ich, dass solche Modifikationen der Abstandsabhängigkeit nicht zu den Beobachtungen passen.

Was aber könnte dann funktionieren? Nachdem ich verschiedene Alternativen systematisch durchprobiert hatte, konzentrierte ich mich auf die Beschleunigung. Sie ist in galaktischen Systemen um viele Größenordnungen kleiner als in unserem normalen Erfahrungsbereich. Die Beschleunigung, die das Sonnensystem in Richtung auf das galaktische Zentrum erfährt, ist mit ungefähr 10-10 Meter pro Sekundenquadrat nur rund ein Hundertmilliardstel der 10 Meter pro Sekundenquadrat, die auf ein Space Shuttle in Richtung des Erdmittelpunkts einwirken. Vor fast zwanzig Jahren schlug ich eine Modifikation des zweiten Newton'schen Gesetzes vor, die für kleine Beschleunigungen den Zusammenhang zwischen Beschleunigung und Kraft abändert. Dies war der Anfang der Modifizierten Newton'schen Dynamik, kurz "Mond" genannt.

Mehr Tempo statt mehr Masse

Durch "Mond" wird eine neue Naturkonstante namens a0 eingeführt; sie hat die Dimension einer Beschleunigung. Ist die jeweilige Beschleunigung wesentlich größer als a0, dann gilt Newtons zweites Gesetz wie gehabt: Die Kraft ist proportional zur Beschleunigung. Wird die Beschleunigung jedoch klein gegen a0, verändert sich das zweite Newton'sche Gesetz: Die Kraft wird proportional zum Quadrat der Beschleunigung. Dadurch ist die für eine bestimmte Beschleunigung benötigte Kraft stets kleiner als gemäß der Newton'schen Dynamik. Im Falle der beobachteten Beschleunigungen in Galaxien sagt "Mond" eine kleinere Kraft – und somit eine geringere gravitationserzeugende Masse – voraus als die Newton'sche Dynamik. Auf diese Weise erübrigt sich die Dunkle Materie.

In den äußeren Bereichen von Galaxien sinkt die durch Gravitation erzeugte Beschleunigung schließlich unter a0. Wo das eintritt, hängt vom Wert von a0 ab – und von der Galaxienmasse: Je größer die Masse, desto weiter draußen setzen die Effekte von "Mond" ein. Für den durch die Daten geforderten Wert von a0 und eine Galaxie typischer Masse liegt der Übergang mehrere zehntausend Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt. Für einen typischen Galaxienhaufen beträgt die Übergangsentfernung einige Millionen Lichtjahre.

Angenommen,die Hauptmasse einer Galaxie liegt innerhalb eines bestimmten Radius; dann sollte der Newton'schen Dynamik zufolge die Geschwindigkeit von Objekten – Gas oder Sterne –, die außerhalb dieses Radius umlaufen, mit zunehmendem Bahnradius abnehmen. Das entspricht den Verhältnissen im Sonnensystem: Der Großteil der Gesamtmasse steckt in der Sonne, und der sonnennächste Planet Merkur läuft viel schneller um sie herum als beispielsweise die Erde. Doch sobald "Mond" ins Spiel kommt, ändert sich die Situation radikal. Bei genügend großer Entfernung vom galaktischen Zentrum nehmen die Bahngeschwindigkeiten mit wachsendem Bahnradius nicht mehr ab, sondern erreichen einen konstanten Wert. Diese konstante Geschwindigkeit ist proportional zur vierten Wurzel der Galaxienmasse.

Wie gut stimmt "Mond" mit den Daten überein? In Spiralgalaxien nehmen die Bahngeschwindigkeiten mit der Entfernung vom Zentrum nicht immer mehr ab, sondern nähern sich einem konstanten Wert – wie von "Mond" vorhergesagt. Außerdem ist dieser Wert gemäß einer aus Beobachtungen gewonnenen Regel, der so genannten Tully-Fischer-Beziehung, proportional zur vierten Wurzel der galaktischen Leuchtkraft. Dies folgt zwanglos aus "Mond", sofern die Leuchtkraft einigermaßen proportional zur Masse ist. Neuere Beobachtungen rechtfertigen diese Annahme: Ein direkter Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Masse ist sogar enger als der zwischen Geschwindigkeit und Leuchtkraft.

Diese Gesetzmäßigkeiten zeichneten sich bereits vage ab, als ich "Mond" vorschlug; sie waren sogar Auslöser der neuen Theorie. Was die modifizierte Newton'sche Dynamik besonders attraktiv macht, ist, dass sie viele Effekte vorhersagt, die zu der Zeit, als ich sie formulierte, noch gar nicht überprüft werden konnten. Ein Beispiel dafür sind die Galaxien geringer Oberflächenhelligkeit (Low-surface-brightness-Galaxien); diese Gebilde leuchten so schwach, dass sie kaum nachweisbar sind. Während die Beschleunigung bei normalen Galaxien nur in den Außenbezirken unter a0 sinkt, ist sie in leuchtschwachen Galaxien überall kleiner als a0. Mit anderen Worten, gemäß "Mond" sollte sich die Massendiskrepanz in einer solchen Galaxie überall auswirken. Zu der Zeit, als ich "Mond" vorschlug, kannten die Astronomen nur wenige leuchtschwache Galaxien und hatten keine davon im Detail untersucht. Seither haben sie entdeckt, dass die Massendiskrepanz in diesen Galaxien tatsächlich unverhältnismäßig viel größer ist als gewöhnlich (siehe "Die leuchtschwächsten Galaxien" von Gregory D. Bothun, Spektrum der Wissenschaft 04/1997, S. 62). "Mond" sagte nicht nur diesen Effekt richtig voraus, sondern auch seine Größenordnung.

Galaxienhaufen-Kerne – die Ausnahme von der Regel?

Ein weiterer Erfolg ist die korrekte Wiedergabe der galaktischen Rotationskurven, das heißt der Abhängigkeit der Bahngeschwindigkeit von der Entfernung. Erst seit Ende der 1980er Jahre verfügen die Astronomen über genügend detaillierte Beobachtungen, um sie mit theoretischen Voraussagen zu vergleichen – und die Übereinstimmung mit "Mond" ist beachtlich. Bei diesem Vergleich muss ein Parameter für jede Galaxie angepasst werden: der Umrechnungsfaktor von Leuchtkraft in Masse. Der entsprechend angepasste Wert stimmt mit den theoretischen Erwartungen gut überein. Hingegen erfordert das Modell der Dunklen Materie für jede Galaxie noch mindestens zwei zusätzliche Parameter, die angepasst werden müssen – je einen für die Ausdehnung und die Gesamtmasse der unsichtbaren Materie. Trotz dieser Flexibilität erklären die gängigen Modelle mit Dunkler Materie die Rotationsdaten nicht so gut wie "Mond".

Trägt man für verschiedene galaktische Systeme die Massendiskrepanz gegen die typische Beschleunigung auf, so stimmt das Muster fast vollständig mit den Vorhersagen von "Mond" überein (siehe Bild im Kasten unten). Die einzige Ausnahme taucht in sehr großen Galaxienhaufen auf. Wenn wir diese Haufen im Ganzen betrachten, zeigen sie eine Massendiskrepanz um einen Faktor zwischen fünf und zehn, die durch "Mond" erklärt werden kann. Sobald wir uns jedoch auf den inneren Bereich konzentrieren, bleibt ein Fehlbetrag übrig: "Mond" vermag nicht die gesamte unsichtbare Masse wegzuerklären. Vielleicht versagt hier die Theorie an sich, aber möglicherweise sind die Beobachtungen noch unvollständig. In diesen Systemen könnten große Mengen leuchtschwacher gewöhnlicher Materie – blasse Sterne oder lauwarmes Gas – verborgen sein.

Gewiss würde man "Mond" gern auch mit physikalischen Experimenten prüfen und nicht nur mit astronomischen Beobachtungen. Doch leider sind Labortests nicht durchführbar. Das "Mond"-Kriterium gilt für die Gesamtbeschleunigung in einem absoluten Bezugsrahmen. Auf der Erde oder im nahen Sonnensystem würden Hintergrundeffekte – hervorgerufen durch die Erdanziehung, die Erddrehung, die Bewegung um die Sonne und unzählige andere Faktoren – die Wirkung von "Mond" unkenntlich machen, selbst wenn wir ein Experiment mit genügend kleinen internen Relativbeschleunigungen durchführen könnten. Genauso schwierig wäre es, die Theorie anhand der Planetenbewegungen zu testen. Die Beschleunigung der um die Sonne kreisenden Körper sinkt erst beim zehntausendfachen Abstand Erde-Sonne unter a0 – weit jenseits der Plutobahn. Allerdings ist die Struktur von "Mond" für hohe Beschleunigungen – bei denen die Theorie nur minimal von der Newton'schen Dynamik abweicht – noch nicht bekannt. Möglicherweise ist die gewiss winzige Abweichung dort immerhin groß genug, um beobachtbare Effekte zu produzieren. Sollten sich die gelegentlich behaupteten Bewegungsanomalien mancher Raumsonden bewahrheiten, könnte "Mond" dafür eine Erklärung liefern.

Eine Idee auf der Suche nach einer Theorie

Ähnlich wie die Planck'sche Konstante in der Quantenmechanik spielt auch a0 in der Modifizierten Dynamik viele unterschiedliche Rollen. Es spricht für die Theorie, dass der gleiche Wert – rund 10-10 Meter pro Sekundenquadrat – auf viele Arten bei der Beschreibung galaktischer Systeme auftaucht.

Trotz solcher Erfolge ist "Mond" vorläufig nur eine begrenzte phänomenologische Theorie. Mit phänomenologisch meine ich, dass sie nicht durch fundamentale Prinzipien motiviert ist oder darauf aufbaut. Sie ist unmittelbar aus der Notwendigkeit entsprungen, gewisse Beobachtungen zu beschreiben und zu erklären; das hat sie übrigens mit den Anfängen der Quantenmechanik und erst recht mit dem Konzept der Dunklen Materie gemeinsam. "Mond" ist aber außerdem begrenzt, denn sie vermag noch nicht einmal alle Phänomene zu erklären, für die sie konzipiert ist.

Das hängt damit zusammen, dass die Modifizierte Newton'sche Dynamik noch nicht in eine Theorie integriert ist, die den Prinzipien der Speziellen oder Allgemeinen Relativität genügt. Vielleicht ist dies unmöglich, vielleicht aber nur eine Frage der Zeit. Immerhin hat es lange gedauert, bis der von Max Planck, Albert Einstein und Niels Bohr entwickelte Quantenbegriff in der Schrödinger-Gleichung seine schlüssige Formulierung fand – und noch länger, bis er mit der Speziellen Relativitätstheorie vereint werden konnte. Und trotz aller Bemühungen ist es bis heute nicht gelungen, Quantenphysik und Allgemeine Relativitätstheorie unter einen Hut zu bringen.

Beim gegenwärtigen Stand der Theorie versagt "Mond" dort, wo zum einen die Beschleunigungen kleiner als a0 sind (sodass "Mond" eine Rolle spielt) und zum anderen extreme Geschwindigkeiten oder Gravitationsfelder auftreten (sodass auch die Relativitätstheorie ins Spiel kommt). Schwarze Löcher erfüllen zwar das zweite Kriterium, aber nicht das erste: In der Nähe eines Schwarzen Lochs kann die Beschleunigung niemals kleiner als a0 werden. Doch Licht, das sich durch das Gravitationsfeld galaktischer Systeme ausbreitet, erfüllt beide Kriterien. Diesen Vorgang, der zum Gravitationslinseneffekt führt, vermag "Mond" nicht richtig zu beschreiben (siehe "Gravitationslinsen" von Joachim Wambsganß, Spektrum der Wissenschaft 05/2001, S. 44). Beobachtungen, die sich den Linseneffekt zu Nutze machen, zeigen dieselbe Massendiskrepanz wie Beobachtungen der galaktischen Dynamik. Aber wir wissen noch nicht, ob "Mond" die Diskrepanz in beiden Fällen erklären kann.

Das zweite System, für das sowohl "Mond" als auch die Relativitätstheorie gebraucht wird, ist das Universum in seiner Gesamtheit. Daraus folgt, dass die Kosmologie nicht mit "Mond" behandelt werden kann. Diese Unfähigkeit betrifft vor allem Fragen nach den anfänglichen Strukturen im Universum. "Mond" lässt sich zwar auf fertig ausgebildete, von der kosmologischen Ursuppe abgelöste Systeme anwenden, aber es kann die Zeit davor nicht beschreiben.

Einige Forscher haben dennoch vorläufige Versuche unternommen, Phänomene der kosmologischen Frühzeit mit einer modifizierten Dynamik zu skizzieren. Zum Beispiel haben Robert H. Sanders vom Astronomischen Kapteyn-Institut in Groningen (Niederlande) und Adi Nusser vom Technion-Israel Insti-tute of Technology gewisse Szenarien der Galaxienbildung entwickelt, indem sie "Mond" mit zusätzlichen Annahmen ergänzten. Allerdings ist solchen Bemühungen ohne eine zu Grunde liegende Theorie nicht wirklich zu trauen.

Trägheit und Kosmologie

In welcher Richtung sollte man nach dieser grundlegenden Theorie suchen? Ein Hinweis mag der Wert von a0 sein. 10-10 Meter pro Sekundenquadrat beschleunigen einen Körper während einer Zeit, die dem Alter des Universums entspricht, von null bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Somit ist a0 ungefähr so groß wie das Produkt zweier wichtiger Konstanten, der Lichtgeschwindigkeit und der Hubblekonstante, der gegenwärtigen Expansionsrate des Universums. Außerdem ist a0 ungefähr so groß wie die durch die dunkle Energie verursachte Beschleunigung. Sollte diese numerische Nähe nicht bloß Zufall sein, so könnte sie entweder bedeuten, dass die Kosmologie irgendwie in lokale physikalische Gesetze wie das Trägheitsgesetz eingeht und dadurch "Mond" erzeugt oder dass Kosmologie und lokale Physik von etwas Gemeinsamem beeinflusst werden, das beiden denselben Stempel aufdrückt.

Die Modifizierte Dynamik legt nahe, dass Trägheit – das Verhalten eines Körpers unter Krafteinwirkung – keine inhärente Eigenschaft von Körpern ist, sondern auf ihrer Wechselwirkung mit dem übrigen Universum beruht. Diese Vermutung entspricht einer alten Idee, dem so genannten Mach'schen Prinzip, dem zufolge die Trägheit durch die Gesamtheit der im Universum vorhandenen Materie verursacht wird.

Die Physik kennt genügend Beispiele, in denen die effektive Trägheit von Teilchen keine ihnen innewohnende Eigenschaft ist, sondern vielmehr durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundmedium entsteht. Elektronen in Festkörpern verhalten sich manchmal, als würde ihre effektive Masse durch den Festkörper stark verändert. Könnte ein analoger Effekt die echte Trägheit verursachen? Was könnte die Beschleunigung hemmen und dadurch Trägheit erzeugen?

Eine faszinierende Möglichkeit ist das Vakuum – das, was übrig bleibt, wenn man die gesamte vorhandene Materie und Energie entfernt. Gemäß der Quantentheorie bleibt dabei nicht völlige Leere zurück, sondern ein minimaler Restbestand aller möglichen Energieformen. Die Wechselwirkung des Vakuums mit Teilchen könnte zur Trägheit makroskopischer Objekte beitragen. Interessanterweise ist das Vakuum auch eine mögliche Erklärung für die dunkle Energie in der Kosmologie. Allerdings wissen wir nicht, ob das Vakuum für die gesamte Trägheit verantwortlich gemacht werden kann und ob es wirklich eine Erklärung für "Mond" liefert.

Obwohl die modifizierte Dynamik galaktische Phänomene gut reproduziert, bleiben viele Forscher überzeugt, dass "Mond" keine fundamentale Wahrheit ausdrückt: Die Modifizierte Newton'sche Dynamik sei zwar vielleicht eine praktische Zusammenfassung dessen, was wir in der Natur sehen, aber all diese Zusammenhänge würden sich eines Tages zwanglos aus einem verfeinerten Modell der Dunklen Materie ergeben. Vor einem Jahr behaupteten Manoj Kaplinghat und Michael S. Turner, damals beide an der Universität Chicago, der Anschein einer charakteristischen Beschleunigung wie a0 trete automatisch in solchen Modellen auf. Gemäß ihrem Szenario sagen diese Theorien die Bildung von Halos aus Dunkler Materie eines bestimmten Typs rund um Galaxien voraus.

Ein offenes Rennen

Kurz darauf habe ich gezeigt, dass dieses Szenario nicht funktioniert. Kaplinghat und Turner arbeiten mit groben Näherungen, die den beobachteten Halos und detaillierten numerischen Simulationen des Verhaltens Dunkler Materie widersprechen. Diese Simulationen geben bei ihrem heutigen Stand keinen Aspekt der Phänomenologie von "Mond" wieder. Obendrein erklärt das von ihnen behauptete Resultat nur einen Bruchteil der Erfolge von "Mond". Aber es ist durchaus möglich, dass "Mond" auf andere Weise aus dem Konzept der Dunklen Materie folgt. Das wird die Zukunft zeigen.

In der Zwischenzeit gilt es, die beobachtbaren Folgen von "Mond" zu verstehen und die Theorie zu verbessern; daran arbeiten unter anderem Sanders, Jacob D. Bekenstein von der Hebräischen Universität in Jerusalem und Stacy S. McGaugh von der Universität von Maryland. "Mond" bleibt die erfolgreichste Alternative zur Dunklen Materie. Die Beobachtungen scheinen sogar eher für die Modifizierte Dynamik zu sprechen als für die Dunkle Materie. Solange der endgültige Beweis für die Existenz der Dunklen Materie aussteht, sollten wir für Alternativen offen sein.

Literaturhinweise


How Cold Dark Matter Theory Explains Milgrom's Law. Von Manoj Kaplinghat und Michael S. Turner in: Astrophysical Journal, Bd. 569, S. L19 (2002).

Modified Newtonian Dynamics as an Alternative to Dark Matter. Von Robert H. Sanders und Stacy S. McGaugh in: Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Bd. 40 (2002).

A Modification of the Newtonian Dynamics as a Possible Alternative to the Hidden Mass Hypothesis. Von Mordehai Milgrom in: Astrophysical Journal, Bd. 270, S. 365 (1983).


In Kürze


Wenn Astronomen wissen wollen, wie viel Materie das Universum enthält, haben sie zwei Möglichkeiten: Entweder sie zählen alle sichtbaren Objekte zusammen – oder sie messen deren Geschwindigkeiten und folgern aus den physikalischen Gesetzen, wie viel Masse vorhanden sein muss, damit die Schwerkraft die Objekte auf ihren Bahnen hält. Leider liefern die beiden Methoden unterschiedliche Ergebnisse. Die meisten Astronomen schließen daraus, dass sich im All viel unsichtbare Masse verbirgt – die berüchtigte Dunkle Materie.

Doch vielleicht liegt das Problem nicht in der Materie, sondern in den physikalischen Bewegungsgesetzen. Der Autor hat eine Modifikation der Newton'schen Dynamik ("Mond") vorgeschlagen, um die beobachtete Diskrepanz zu erklären. "Mond" reproduziert viele Beobachtungen erstaunlich gut, oft sogar besser, als es die Dunkle Materie vermag. Allerdings hat "Mond" gewisse Schwächen, die sich vielleicht als unwichtig erweisen werden – oder als fatal.


Die galaktische Rotationskurve


Wie die Planeten um die Sonne kreisen, so wandern auch die Sterne einer Galaxie um das galaktische Zentrum. Zum Beispiel braucht unsere Sonne rund 200 Millionen Jahre für einen Umlauf um das Zentrum der Milchstraße. Die Sterne in Spiralgalaxien beschreiben fast kreisförmige Bahnen, und die Bahngeschwindigkeit hängt vom Abstand zum Zentrum ab.

Zwei Effekte bestimmen den Geschwindigkeitsverlauf: die Massenverteilung in der Galaxie und die Abnahme der Schwerkraft mit der Entfernung. Der erste Effekt hat rein geometrische Gründe: Die Masse innerhalb einer Umlaufbahn nimmt mit dem Bahnradius zu. Dieser Effekt dominiert in den inneren Regionen der Galaxie. Weiter draußen wird der andere Effekt wichtiger. Insgesamt folgt daraus, dass die Rotationskurve – Bahngeschwindigkeit gegen Entfernung – zunächst ansteigt, dann abflacht und schließlich sinkt.

Nach den Newton'schen Gesetzen sollte die Rotationskurve immer weiter sinken. Doch wenn "Mond" zutrifft, strebt sie einem konstanten Wert zu.



Alle Arten von galaktischen Systemen – von Kugelsternhaufen über Zwerggalaxien bis zu Galaxiengruppen und großen Galaxienhaufen – zeigen eine Diskrepanz zwischen der beobachteten und der aus inneren Bewegungen abgeleiteten Masse. Diese Diskrepanz ist umgekehrt proportional zur charakteristischen Beschleunigung – wie von der Modifizierten Newton'schen Dynamik ("Mond") vorhergesagt. Modelle mit Dunkler Materie können diesen Zusammenhang nicht erklären. Dafür versagt "Mond" in den Kerngebieten großer Galaxienhaufen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 2002, Seite 34
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
10 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 10 / 2002

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