• Was ist der Gravitationslinseneffekt?
  • Wie gut kennen wir das Universum und was darin ist?
  • Was sind Dunkle Materie und Dunkle Energie?
  • Was ist MOND (modifizierte Newton'sche Dynamik)?
  • Theoriebildung und -überprüfung anhand der Beispiele Relativitätstheorie, Dunkle Materie und modifizierte Newton'sche Dynamik.

In einem anderen Artikel stießen wir bereits auf die beiden Begriffe der schweren und der trägen Masse. Aufgrund deren Äquivalenz schlussfolgerte Einstein zunächst in einem Gedankenexperiment, später durch mathematische Beweise, dass Massen den Raum krümmen können. Bisher hielt Einsteins Theorie jedem Experiment stand.

Dass Masse den Raum krümmt, sieht man daran, dass Licht, das sich an an einem sehr schweren Körper vorbei bewegt, nicht auf einer geraden Linie bewegt. Die Bahn des Lichts wird also durch die Masse verändert. Um diesen Effekt beobachten zu können, bedarf es sehr großer Massen. Unsere Sonne, beispielsweise, ist schwer genug. Bereits 1919 wurde dieser Effekt, welcher Gravitationslinseneffekt heißt, während einer Sonnenfinsternis beobachtet. Dabei wurde die Position von Sternen direkt neben der Sonne vermessen. Der Vergleich mit den bekannten Positionen ohne den Effekt des Gravitationsfeldes der Sonne zeigte die von der Relativitätstheorie vorhergesagten Abweichungen. Diese Beobachtung, deren Vorhersage nur auf theoretischen Überlegungen basierte, gilt als einer der wichtigsten Tests der Relativitätstheorie.

Wie das Bild unten zeigt, kann es durch den Gravitationslinseneffekt auch dazu kommen, dass ein Objekt mehrfach zu sehen ist. Auch die Ausbildung eines Rings ist möglich.

GravitationslinseGravitationslinseneffekt. Gravitationslinse, Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at), CC-BY-SA 4.0

Der Gravitationslinseneffekt ermöglicht die Berechnung der Masse von großen Objekten wie zum Beispiel Galaxie-Clustern, da man messen kann, wie sehr diese Licht krümmen. Daraus kann man dann auf deren Masse schließen. Dabei bekommt man jedoch einen Wert, der viel größer ist als der, den wir mittels direkter Beobachtung erhalten. Eine Erklärung dafür ist Materie, die wir nicht sehen können, welche aber gravitativ mit der sichtbaren Materie wechselwirkt. Diese Art von Materie nennt man Dunkle Materie

Ein weiterer Hinweis auf die Existenz dieser Materie sind die berechneten Umlaufgeschwindigkeiten von Spiralgalaxien um deren Zentrum. Diese passen ebenfalls nicht mit den Beobachtungen zusammen. Die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne müsste nach dem 3. Keplergesetz nach außen hin abnehmen - beobachtet wird aber sogar eine Zunahme der Umlaufgeschwindigkeit. Die Existenz von Dunkler Materie könnte das erklären.

eso1129aSpiralgalaxie. Quelle: ESO, CC-BY 4.0, https://www.eso.org/public/germany/images/eso1129a/

Vergleicht man die Menge an sichtbarer Materie mit der Menge an notwendiger Dunkler Materie, dann bekommt man das Fünf- bis Sechsfache der sichtbaren Materie.

Um die aus der Beobachtung von Gravitationslinsen berechneten Massen von Galaxien-Clustern und die Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in Spiralgalaxien zu erklären, postuliert man die Existenz von Materie, die nicht sichtbar ist, also nicht mit Photonen wechselwirkt.

Man weiß bereits wenig über Dunkle Materie, aber noch weniger weiß man über Dunkle Energie. Diese wurde eingeführt, um zu erklären, warum sich die Ausdehnung des Universums beschleunigt, denn eine beschleunigte Bewegung muss immer durch irgendeine Energieform angetrieben werden. Dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt, hat man unter anderem durch die Beobachtung von unterschiedlich weit entfernten Galaxien festgestellt. Woraus diese Dunkle Energie besteht, ist ungeklärt.

Vergleicht man den Anteil der Dunklen Energie, der Dunklen Materie und der sichtbaren Materie an der Gesamtenergie des Universums, bekommt man folgendes Bild:

Massenverteilung im UniversumMassen/Energieverteilung im Universum. Massenverteilung_im_Universum, Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at), CC-BY-SA 4.0

Während wir momentan bezüglich der Dunklen Energie ziemlich im Dunklen tappen, kommen zumindest für die Erklärung der Dunklen Materie einige potentielle Kandidaten in Frage. Man kann auch einige Kandidaten bereits ausschließen und geht davon aus, dass Dunkle Materie nicht oder nur zu einem sehr geringen Anteil aus sogenannter hadronischer Materie besteht, also aus Objekten, die aus Hadronen wie Protonen und Neutronen aufgebaut sind. Das wären zum Beispiel braune Zwerge (eine Art von toten Sternen) oder interstellarer Staub. Wahrscheinlicher ist, dass Dunkle Materie aus bisher unbekannten Teilchen besteht. Mögliche Erklärungen, woraus Dunkle Materie besteht, gibt es viele, und etliche Experimente sind auf der Suche nach den entsprechenden Teilchen. Da sie aber nur sehr schwach mit der sichtbaren Materie interagieren, ist ein Nachweis sehr schwierig.

Dunkle Materie unterliegt nicht oder nur extrem schwach den drei Kräften Elektromagnetismus (deswegen sehen wir sie nicht), Starke Kernkraft und Schwache Kernkraft. Allerdings hat sie eine Masse und unterliegt damit den bekannten Gravitationskräften.

Aber wenn wir Rotationskurven von Galaxien nicht mit der Relativitätstheorie erklären können, könnte man dann nicht meinen, dass die Relativitätstheorie für diesen Fall nicht mehr gilt? Vielleicht gilt sie ja nur für Systeme wie unser Sonnensystem, wo sie alle Beobachtungen beschreiben kann? Es könnte ja sein, dass wir für Galaxien eine allgemeinere Theorie benötigen. Das wäre analog zu dem Fall, dass die Newton'sche Mechanik ein Spezialfall der Relativitätstheorie für den Fall von (im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit) kleinen Geschwindigkeiten ist.

In der Tat gibt es auch solche Erklärungsversuche. Sie gehen wieder ganz zum Anfang zurück und stellen sogar das Äquivalenzprinzip in Frage. Eine Variante ist unter dem Namen MOND bekannt, was für modifizierte Newton'sche Dynamik steht. Damit konnten zum Beispiel die Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien erklärt werden, ohne auf zusätzliche Materie zurückgreifen zu müssen. Allerdings können andere Beobachtungen nicht mit MOND erklärt werden, sodass MOND in der jetzigen Form keine endgültige Lösung bietet. Randall Munroe, ein Physiker und Webcomic-Künstler, hat die aktuelle Situation wie folgt auf den Punkt gebracht:

astrophysicsAlternative Theorien zur Relativitätstheorie und deren Erfolg. Astrophysics, CC-BY-NC 2.5, Randall Munroe.

Die Beispiele von Relativitätstheorie und MOND zeigen sehr schön, wie Theoriebildung und -überprüfung funktionieren.

Eine Theorie muss in der Lage sein, alle bekannten Beobachtungen zu beschreiben. Kann sie das nicht, muss sie erweitert oder verworfen werden.

Im konkreten Fall (Relativitätstheorie) passiert dies entweder über die Hypothese, dass es noch unbekannte Materie gibt, oder indem die Theorie angepasst wird. Im ersten Fall (Dunkle Materie) steht man vor der experimentellen Herausforderung, diese Materie nachzuweisen. Im zweiten Fall (MOND) ist es schwierig, alle Beobachtungen zu erklären und weitere Modifizierungen oder Erweiterungen sind notwendig.

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