Dunkle Materie vs. modifizierte Schwerkraft

Warum gehen Kosmologen und Astrophysiker davon aus, dass der Grund für die höheren Geschwindigkeiten äußerer Sterne in Galaxien überhaupt auf Materie zurückzuführen ist? Der Name Dunkle Materie scheint irreführend. Könnte die Schwerkraft in größeren Maßstäben nicht einfach anders funktionieren? Nach jahrelanger Suche nach einem „Teilchen“ aus dunkler Materie haben wir immer noch nichts. Ich bin ein wenig verwirrt über die ständige Suche nach einem schwach wechselwirkenden Teilchen.

Siehe MOND .
Wie @AccidentalFourierTransform sagt, ist diese Idee nicht neu. Eines der Probleme mit MOND-Theorien ist, dass es ihnen schwer fällt, das Aussehen des Bullet Cluster zu erklären .
Es ist eine schwierige Frage zu beantworten. Es gibt keine Regeln dafür, wann ein Modell aufgegeben werden muss, um einen Ersatz zu suchen. Vor allem, wenn Wissenschaftler sich damit zu wohl fühlen. Die Leute mögen es einfach nicht, Risiken einzugehen und dem Erfolg ins Gesicht zu schreien. Schade, dass die Beobachtungen nicht übereinstimmen.
@pela: Israel und Moffat glauben, dass sie den Bullet-Cluster ohne dunkle Materie erklären können (vgl. arxiv:1606.09128 ); Beachten Sie auch, dass Behauptungen aufgestellt wurden, dass Modelle der Dunklen Materie Schwierigkeiten haben, die beteiligten Geschwindigkeiten zu erklären (vgl. einen kürzlich erschienenen Beitrag von Sabine Hossenfelder ) .
Die meisten suchen lieber nach Mechanismen, die die etablierte Theorie stützen, als nach Möglichkeiten zu suchen, das Modell zu ersetzen oder zu modifizieren. Vielleicht besteht der Trick, um herauszufinden, was die Schwerkraft auf größeren Skalen bewirkt, darin, zu verstehen, wie sie sich auf Quantenskalen verhält. Nur Geschwätz.
Ich habe nie die Menge an Skepsis verstanden, die eindeutig auf dunkle Materie gerichtet zu sein scheint – bis hin zu dem Punkt, an dem es in einigen Fällen wie Verschwörungstheorien klingt. Ich meine, dunkle Materie existiert entweder oder nicht, und die Beobachtungen dauern an; Warum all die Vorwürfe der schlechten Wissenschaft?
@Christoph: Ja, ich weiß, es gibt einige Behauptungen, aber ich denke (aber das liegt weit außerhalb meiner Komfortzone, und ich habe das Papier von Israel & Moffat nicht gelesen), dass sie immer noch etwas "unsichtbares" Material brauchen (wie 50% oder so), was sie einfach für unentdeckte Baryonen halten.
Werfen Sie einen Blick in die "Verwandte" Seitenleiste. Wir haben das mehrmals durchgesehen und es hat sich nichts geändert. Es ist immer noch eine offene Frage, es gibt immer noch keine endgültige Beobachtung von dunkler Materie im WIMP-Stil, die modifizierte Gravitation hat immer noch Probleme mit Kovarianz und Bullet-Cluster-ähnlichen Situationen (von denen ich verstehe, dass mehr ans Licht gekommen sind) und das Versäumnis, WIMP zu finden - Stil dunkle Materie wird das Buch über diese Idee immer noch nicht schließen, weil es andere Kandidaten in den Startlöchern gibt.

Antworten (2)

Wenn der einzige Beweis für dunkle Materie aus galaktischen Rotationskurven käme, könnte eine Modifikation der Gravitation ausreichen, um die Daten zu erklären. Wir haben jedoch viele andere Beweise aus Astrophysik und Kosmologie für die Existenz dunkler Materie, und eine Modifikation der Schwerkraft würde nicht alle diese Beweise erklären.

Hier sind einige Beispiele für Beweise:

  1. Wir können Gravitationslinsen verwenden, um die Masse von Zwerggalaxien zu messen. Diese Zwerggalaxien haben nicht viele Sterne oder Molekülwolken, daher würde die geschätzte Masse von gewöhnlicher Materie nicht mit der gemessenen Masse übereinstimmen.
  2. In der Astrophysik brauchen wir dunkle Materie als Keime für die Entstehung von Galaxien, sonst können wir nicht erklären, warum wir so viele Galaxien haben. Wenn Dunkle Materie nicht existieren würde, würde die Bildung von Galaxien zu lange dauern.
  3. Der Bullet Cluster ist ein Beispiel für die heftige Kollision zweier Galaxienhaufen, bei der die sichtbare Masse von der durch Gravitationslinsen gemessenen Masse ziemlich getrennt ist.
  4. Die sehr genauen Messungen der Muster in der Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) durch die Satelliten WMAP und Plank könnten ohne Dunkle Materie nicht verstanden werden. Beachten Sie, dass es zur Zeit des CMB überhaupt keine Galaxien gab.
  5. Die Produktion und ursprüngliche Häufigkeit von Helium und Lithium im Urknall würde ohne die Anwesenheit von Dunkler Materie nicht mit Beobachtungen übereinstimmen.

Um all dies zu erklären, müssen wir lediglich ein zusätzliches stabiles Teilchen postulieren, das sehr schwach mit den anderen Teilchen wechselwirkt. Daher wäre seine Hauptwechselwirkung nur die Gravitation. In Theorien, die das Standardmodell der Teilchenphysik erweitern, gibt es eine Fülle möglicher Arten von Teilchen, die das Teilchen der Dunklen Materie sein könnten. Was uns fehlt, sind einige direkte experimentelle Messungen der Teilcheneigenschaften der Dunklen Materie wie Masse und verschiedene Wechselwirkungsraten, um zwischen den vielen möglichen Kandidaten zu entscheiden.

Tatsächlich gibt es wirklich keinen Grund anzunehmen, dass es nur ein Teilchen der Dunklen Materie gibt – es könnte einen ganzen Zoo von Teilchen der Dunklen Materie geben. Allen Beweisen zufolge gibt es in unserem Universum ungefähr 6-mal so viel dunkle Materie wie gewöhnliche Materie (gemessen durch Vergleich der Gesamtmasse der dunklen Materie mit der Gesamtmasse der gewöhnlichen Materie). Gewöhnliche Materie hat ein stabiles Elektron, Proton, Photon und drei Arten von Neutrinos. Außerdem könnte man jedes stabile atomare Element als eine andere Art oder Teilchen betrachten. Dann gibt es viele Dutzend instabiler Teilchen, die (schließlich) zu stabilen Teilchen zerfallen. Da es 6-mal mehr Dunkle Materie als gewöhnliche Materie gibt, gibt es vielleicht mehrere (oder viele) Arten stabiler Dunkler-Materie-Teilchen.

Damit ist die Existenz der Dunklen Materie geklärt – sie existiert. Was noch zu tun bleibt, ist die Masse (oder Massen) und andere Eigenschaften des einen oder der mehreren Teilchen der Dunklen Materie zu messen.

Die meisten Suchen haben nur der Masse und der Wechselwirkungsstärke möglicher massiver Teilchen der Dunklen Materie Grenzen gesetzt. Eine weitere ganze Klasse theoretisch begründeter möglicher Dunkler-Materie-Teilchen wären jedoch sehr massearme Axionen; und diesen Kandidaten sind (noch) keine sehr strengen experimentellen Grenzen gesetzt. Schließlich könnte es möglich sein, dass das Dunkle-Materie-Teilchen überhaupt nicht mit gewöhnlicher Materie interagiert – außer durch Gravitationseffekte. Wenn Dunkle Materie nur Gravitationswechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie hat, könnten wir möglicherweise nie die genauen Eigenschaften des Teilchens der Dunklen Materie bestimmen, da wir es überhaupt nie entdecken könnten – nur die kollektiven Gravitationseffekte einer großen Masse von Teilchen der Dunklen Materie jemals gemessen werden könnte.

Sie sehen, es gibt viele Erklärungen dafür, warum wir die Eigenschaften des/der Teilchen der Dunklen Materie noch nicht messen konnten. Da die modifizierte Schwerkraft jedoch nicht alle astrophysikalischen und kosmologischen Beweise erklären kann, müssen Teilchen der Dunklen Materie existieren.

Kosmologen und Astrophysiker gehen von nichts aus. Sie suchen nach Beweisen, die entweder das Teilchen der Dunklen Materie identifizieren oder zeigen, dass es nicht existiert. Manchmal dauert dies sehr lange. Fast 50 Jahre vergingen zwischen den ursprünglichen Arbeiten von 1964, die das Higgs-Boson vorhersagten, und der Entdeckung am CERN im Jahr 2013 (weitere Untersuchungen des Teilchens sind im Gange). Die Tatsache, dass kein der Dunklen Materie entsprechendes Teilchen nachgewiesen wurde, hat zwei Interpretationen: Das Teilchen existiert nicht oder es interagiert zu schwach mit Messgeräten. Wissenschaftler müssen möglicherweise größere Instrumente oder Instrumente bauen, die auf anderen Wechselwirkungen beruhen (falls das Teilchen kein WIMP ist), bevor ein Nachweis möglich ist.

Andere Wissenschaftler verfolgen die Idee, die Allgemeine Relativitätstheorie zu modifizieren und suchen nach Beweisen für konsistente Diskrepanzen zwischen der Relativitätstheorie und der Bewegung astrophysikalischer Körper, die keine individuelle Feinabstimmung auf verschiedenen Größenskalen erfordern. Derzeit sind für Galaxien andere Modifikationen erforderlich als für Haufen.

Tatsächlich haben sowohl dunkle Materie als auch modifizierte Schwerkraft frühere Beispiele dafür, dass sie Recht haben.

  • Astronomische Beobachtungen in den 1820er Jahren zeigten, dass sich Uranus nicht so bewegte, wie es die Newtonsche Schwerkraft vorhergesagt hatte. Die beobachtete Bewegung führte zu dem Schluss, dass es einen anderen Planeten gab, dessen Schwerkraft seine Bewegung beeinflusste. Dieser Planet, Neptun, wurde 1846 beobachtet. Vor seiner Sichtung war Neptun dunkle Materie: eine unbeobachtete Masse, deren Schwerkraft die unvorhergesehene Bewegung astronomischer Körper erklärte.

  • Im frühen 20. Jahrhundert wurde auch festgestellt, dass die Bewegung von Merkur Vorhersagen widerspricht, die auf der Newtonschen Gravitation basieren. Wie bei Neptun wurde angenommen, dass ein weiterer Planet innerhalb der Umlaufbahn von Merkur gefunden werden würde. Dieser Planet (die dunkle Materie) wurde Vulcan genannt. Dieser Planet wurde nie gefunden, und tatsächlich erforderte die Bewegung des Merkur die Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie durch Albert Einstein, die Newtons Gravitationstheorie modifizierte. In diesem Fall existierte die angebliche dunkle Materie nicht, und unsere Beschreibung der Schwerkraft musste modifiziert werden.

Derzeit sieht es so aus, als wäre dunkle Materie der wahrscheinlichere Kandidat, um die gegenwärtigen Diskrepanzen zu erklären. Es kommen immer mehr Beweise herein, und unser Verständnis wird sich schließlich dem einen oder anderen oder etwas völlig anderem annähern. Bis dahin kann ich nur Geduld raten.

Dunkle Materie vs. modifizierte Schwerkraft
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