Warum Dunkle Materie und Allgemeine Relativitätstheorie?

Weil die Allgemeine Relativitätstheorie eine überwältigende Menge experimenteller Beweise dafür hat. Infolgedessen suchen Physiker nach dunkler Materie, die innerhalb von GR arbeitet, anstatt das Baby mit dem Bade auszuschütten, und nehmen daher an, dass GR falsch ist.

Als Albert Einstein der Welt GR vorstellte, schlug er drei Tests vor , die GR unterstützen würden. Bitte bedenken Sie, dass diese Vorhersagen (mit Ausnahme von Nr. 1 unten) zu diesem Zeitpunkt weder vorher beobachtet noch mit irgendwelchen vorher existierenden physikalischen Theorien erklärt werden konnten.

1. Perihel-Präzession des Merkur - Grundsätzlich konnte die Präzession der Merkurbahn nicht durch die Newtonsche Gravitation oder die Keplerschen Bewegungsgesetze erklärt werden. Tatsächlich war es so schwierig, diese Präzession zu erklären, dass eine Hypothese sogar einen zuvor unbeobachteten Planeten nahelegte , der zwischen Merkur und der Sonne kreist. Nachdem Einstein jedoch GR entwickelt hatte, zeigte er, dass der Teil der Merkurpräzession, der nicht durch andere Faktoren erklärt werden kann, der Krümmung der Raumzeit zugeschrieben werden kann.
2. Ablenkung des Lichts durch die Sonne - Einstein schlug vor, dass Licht aufgrund von GR durch die Schwerkraft abgelenkt werden könnte. Dies wurde 1919 während einer Sonnenfinsternis beobachtet, als die Position von Sternen „in der Nähe“ der Sonne (ich verwende „in der Nähe“ in Bezug auf ihre scheinbare Position auf der Himmelskuppel, nicht „in der Nähe“ im Weltraum) aufgrund von etwas verschoben wurde die Schwerkraft der Sonne. Obwohl das ursprüngliche Experiment kritisiert wurde, wurde dieser Effekt viele Male reproduziert, seit er ursprünglich beobachtet wurde.
3. Gravitations-Rotverschiebung des Lichts - 1959 beobachtete das Pound-Rebka-Experiment eine relative Rotverschiebung des Lichts zwischen zwei verschiedenen Lichtquellen aufgrund von Gravitationseffekten der Erde.

Jeder dieser Tests hat individuelle Wikipedia-Seiten, die unter dem ersten Link, den ich oben eingefügt habe, verlinkt sind. Darüber hinaus gibt es eine Reihe modernerer GR-Tests, die nicht auf die drei oben beschriebenen beschränkt sind.

Der Beweis für Dunkle Materie taucht an verschiedenen Orten und in verschiedenen Maßstäben auf – von der Größenordnung der Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund über die Bildung großräumiger Strukturen im Universum bis hin zur Dynamik von Galaxien in Haufen (und Gravitationslinsen). und die Dynamik von Sternen und Gas in Galaxien. Von entscheidender Bedeutung sind die relativen Schätzungen der Menge an "normaler" und "nicht-baryonischer" Materie, die aus komplementären Einschränkungen stammen, die durch die Urknall-Primordial-Nukleosynthese geliefert werden, im Vergleich zu Einschränkungen der gesamten Materiedichte aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund. Diese weisen darauf hin, dass der größte Teil (5/6) der Gravitationsmaterie im Universum nicht „normal“ ist und nur schwer zu lösen wäre, indem wir unsere Vorstellungen von der Schwerkraft ändern.

Es gibt viele Übereinstimmungen zwischen diesen verschiedenen Beweislinien, in ganz unterschiedlichen Maßstäben, für die Existenz von nicht-baryonischer, kalter dunkler Materie, und in Mengen, die auch ungefähr miteinander übereinstimmen.

Eine ausgezeichnete, zugängliche Einführung zu diesen Themen ist Garrett & Duda (2011) .

Ich bin Ihre Frage unter dem Gesichtspunkt angegangen, warum dunkle Materie vorgeschlagen wird, anstatt, könnte GR falsch sein? Wie Sean betont, hat GR viele Beobachtungstests bestanden und ist derzeit eine gute Theorie. Ich glaube jedoch, dass die Befürworter der modifizierten Newtonschen Dynamik und ihresgleichen nicht akzeptieren, dass sie ausreichend getestet wurde, um Änderungen im Regime schwacher Gravitationsfelder und kleiner Beschleunigungen auszuschließen, aber MOND kämpft darum, die Dynamik auf der Skala von Galaxienhaufen zu erklären .

Der erste Beweis für Dunkle Materie beruht nicht auf der Allgemeinen Relativitätstheorie, sondern auf der Newtonschen Mechanik:

In großen Entfernungen vom galaktischen Zentrum sollte das Gravitationspotential das sein, das von einer zentralen Punktmasse erzeugt wird, und in Abwesenheit anderer Kräfte als der Gravitation sollte erwartet werden, dass GM/R2 =$\theta^{2}_{}$/R (G, universelle Gravitationskonstante; M, galaktische Masse; R, galaktozentrischer Radius;$\theta$, Rotationsgeschwindigkeit), also$\theta$ $\propto$R-1/2, die aus naheliegenden Gründen die Keplersche Rotationskurve genannt wird . Dieser keplersche Rückgang wurde nicht beobachtet, sondern flache Rotationskurven mit$\theta$=cte wurden erhalten. Offenbar hat dies die direkte Implikation, dass M$\propto$R, also abhängig von der Qualität des verwendeten Teleskops. Die „Dark Matter“ (DM)-Hypothese interpretiert dieses Ergebnis in dem Sinne, dass das Keplersche Regime in viel größeren Entfernungen hält, als wir Beobachtungen erhalten. In einem mehr oder weniger kugelsymmetrischen DM-Halo sollten große Mengen dunkler Materie vorhanden sein, die sich weit über die sichtbare Materie hinaus erstrecken.

(fett von mir)

Rotationskurve einer typischen Spiralgalaxie : vorhergesagt (A) und beobachtet (B). Dunkle Materie kann das „flache“ Aussehen der Geschwindigkeitskurve bis zu einem großen Radius erklären

In den späten 1960er und frühen 1970er Jahren war Vera Rubin vom Department of Terrestrial Magnetism der Carnegie Institution of Washington die erste, die robuste Messungen durchführte, die die Existenz von Dunkler Materie anzeigten, und sie der Dunklen Materie zuordnete. Rubin arbeitete mit einem neuen empfindlichen Spektrographen, der die Geschwindigkeitskurve von Edge-on-Spiralgalaxien mit größerer Genauigkeit als je zuvor messen konnte. Zusammen mit seinem Mitarbeiterkollegen Kent Ford kündigte Rubin 1975 auf einem Treffen der American Astronomical Society die Entdeckung an, dass die meisten Sterne in Spiralgalaxien mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit umkreisen, was implizierte, dass die Massendichten der Galaxien weit über die Regionen hinaus einheitlich waren enthält die meisten Sterne (die galaktische Ausbuchtung), ein Ergebnis, das 1978 unabhängig gefunden wurde. Ein einflussreiches Papier präsentierte Rubin ' s Ergebnisse 1980.[29] Rubins Beobachtungen und Berechnungen zeigten, dass die meisten Galaxien ungefähr sechsmal so viel „dunkle“ Masse enthalten müssen, wie die sichtbaren Sterne erklären können.

Signaturen dunkler Materie können im kosmologischen Modell des Urknalls vorhergesagt und gefunden werden, das von der Allgemeinen Relativitätstheorie abhängt, aber es gibt sie auch in der einfachen Newtonschen Mechanik.

Eine andere Gravitationstheorie scheint der einfachste Ansatz zu sein.

Es wird ein schrecklich komplizierter Ansatz sein, da die Newtonsche Physik im flachen Raum hervorragend validiert wurde.

Ganz einfach: Die Leute haben versucht, die modifizierte Schwerkraft dazu zu bringen, die richtigen Zahlen für alle Beobachtungen, die wir haben, auszugeben, und niemand hat es geschafft, so gute Ergebnisse zu erzielen wie die Allgemeine Relativitätstheorie + Dunkle Materie.

Hier ist ein Zitat aus Modified Newtonian dynamics , einer der modifizierten Gravitationstheorien:

MOND und seine Verallgemeinerungen berücksichtigen die beobachteten Eigenschaften von Galaxienhaufen nicht angemessen, und aus der Theorie wurde kein zufriedenstellendes kosmologisches Modell konstruiert.

Die Schwierigkeit ergibt sich daraus, wie unglaublich genau GR verschiedene Phänomene vorhersagt und erklärt. Es liegt nicht daran, dass jeder einfach glaubt, dass GR perfekt ist und dunkle Materie der einzig mögliche Ausweg ist, überhaupt nicht. Es ist einfach so, dass keine Alternative auch nur annähernd die richtigen Zahlen für alle Beobachtungen liefert, die wir machen können.

Für das, was es wert ist, scheinen relativistische Verallgemeinerungen von MOND ziemlich nahe daran zu sein, alle kosmologischen Beobachtungen zu erklären, aber die Bullet Cluster- Beobachtungen haben sie möglicherweise alle zur Ruhe gebracht:

Eine Studie vom August 2006 berichtete über die Beobachtung eines Paares kollidierender Galaxienhaufen, des Bullet Clusters, dessen Verhalten, wie berichtet wurde, mit keiner aktuellen modifizierten Gravitationstheorie vereinbar war.

_{PS Ich bin kein Physiker, nur jemand mit allgemeinem Interesse an Physik.}