Ich bin der Erste, der zugibt, dass wir die Dunkle Materie nicht verstehen. Wir wissen mit Sicherheit, dass in großen Maßstäben im Universum etwas Lustiges vor sich geht („groß“ bedeutet hier mindestens so groß wie Galaxien). Kurz gesagt, die Zahlen stimmen einfach nicht. Wenn wir zum Beispiel eine Galaxie betrachten und alle heißen glühenden Teile wie Sterne, Gas und Staub zusammenzählen, erhalten wir eine bestimmte Masse. Wenn wir überhaupt eine andere Technik verwenden, um die Masse zu messen, erhalten wir eine viel höhere Zahl. Die natürliche Schlussfolgerung ist also, dass nicht die gesamte Materie im Universum heiß und glühend ist. Vielleicht einige, wenn es dunkel ist.
Aber halte durch. Zuerst sollten wir unsere Mathematik überprüfen. Sind wir sicher, dass wir nicht nur ein bisschen Physik falsch machen?
Details zur Dunklen Materie
Ein Hauptteil des Puzzles der Dunklen Materie (wenn auch sicherlich nicht das einzige, und das wird später in diesem Artikel wichtig sein) kommt in Form von sogenannten Galaxienrotationskurven . Wenn wir beobachten, wie sich Sterne in Rotation um das Zentrum ihrer Galaxien drehen, sollten sich diejenigen, die weiter vom Zentrum entfernt sind, langsamer bewegen als diejenigen, die näher am Zentrum liegen. Dies liegt daran, dass der größte Teil der galaktischen Masse in den Kern gedrängt ist und die äußersten Sterne von all dem Zeug weit entfernt sind und aufgrund der einfachen Newtonschen Gravitation langsamen trägen Umlaufbahnen folgen sollten.
Aber sie tun es nicht.
Stattdessen umkreisen die äußersten Sterne genauso schnell wie ihre innerstädtischen Vettern.
Da dies ein Spiel der Schwerkraft ist, gibt es nur zwei Möglichkeiten. Entweder verstehen wir die Schwerkraft falsch, oder es gibt zusätzliches unsichtbares Zeug, das jede Galaxie durchnässt. Und soweit wir das beurteilen können, bekommen wir die Schwerkraft sehr, sehr richtig ( das ist ein anderer Artikel ), also bumm: Dunkle Materie . Irgendetwas hält diese freilaufenden Sterne in ihren Galaxien gefangen, sonst wären sie vor Millionen von Jahren wie ein außer Kontrolle geratenes Karussell davongeschleudert worden; ergo, es gibt eine ganze Reihe von Dingen, die wir nicht direkt sehen, aber indirekt erkennen können.
Schwer werden
Aber was ist, wenn dies nicht nur ein Spiel der Schwerkraft ist? Schließlich gibt es vier grundlegende Naturkräfte: starke Kernkraft, schwache Kernkraft, Schwerkraft und Elektromagnetismus. Wird einer von ihnen in diesem großartigen galaktischen Spiel mitspielen?
Starke Kernenergie funktioniert nur auf winzig kleinen subatomaren Skalen, also ist es richtig. Und niemand kümmert sich um schwache Kerne außer bei bestimmten seltenen Zerfällen und Wechselwirkungen, also können wir das auch beiseite legen. Und Elektromagnetismus… nun, offensichtlich spielen Strahlung und Magnetfelder eine Rolle im galaktischen Leben, aber Strahlung drückt immer nach außen (wird also offensichtlich nicht dazu beitragen, sich schnell bewegende Sterne im Zaum zu halten) und galaktische Magnetfelder sind es unglaublich schwach (nicht stärker als ein Millionstel des erdeigenen Magnetfelds). Also ... nein, nicht wahr?
Wie fast alles in der Physik gibt es einen hinterhältigen Ausweg. Soweit wir das beurteilen können, ist das Photon – der Träger der elektromagnetischen Kraft selbst – völlig masselos. Aber Beobachtungen sind Beobachtungen, und in der Wissenschaft ist nichts mit Sicherheit bekannt, und aktuelle Schätzungen beziffern die Masse des Photons auf nicht mehr als 2 x 10-24die Masse des Elektrons. Für alle Absichten und Zwecke ist dies im Grunde genommen null für so ziemlich alles, was jemanden interessiert. Aber wenn das PhotontutMasse haben, selbst unterhalb dieser Grenze, kann es einige ziemlich lustige Dinge mit dem Universum anstellen.
Mit dem Vorhandensein von Masse im Photon nehmen die Maxwell-Gleichungen, unser Verständnis von Elektrizität, Magnetismus und Strahlung, eine modifizierte Form an. In der Mathematik tauchen zusätzliche Begriffe auf und neue Interaktionen nehmen Gestalt an.
Kannst du das fühlen?
Die neuen Interaktionen sind entsprechend kompliziert und hängen vom jeweiligen Szenario ab. Im Fall von Galaxien beginnen ihre schwachen Magnetfelder etwas Besonderes zu spüren. Aufgrund der verworrenen und verdrehten Natur der Magnetfelder modifiziert das Vorhandensein massiver Photonen die Maxwell-Gleichungen innurder richtige Weg, um eine neue Anziehungskraft hinzuzufügen, die in einigen Fällen stärker sein kann als die Schwerkraft allein.
Mit anderen Worten, die neue elektromagnetische Kraft könnte in der Lage sein, sich schnell bewegende Sterne gefangen zu halten und die Notwendigkeit von Dunkler Materie vollständig zu überflüssig zu machen.
Rotationskurve der typischen Spiralgalaxie M 33 (gelbe und blaue Punkte mit Fehlerbalken) und die vorhergesagte aus der Verteilung der sichtbaren Materie (weiße Linie). Die Diskrepanz zwischen den beiden Kurven wird durch Hinzufügen eines Halos aus dunkler Materie, der die Galaxie umgibt, berücksichtigt. Bildnachweis: Gemeinfrei / Wikipedia
Aber es ist nicht einfach. Die Magnetfelder durchziehen das interstellare Gas der Galaxie, nicht die Sterne selbst. Diese Kraft kann also nicht direkt an Sternen ziehen. Stattdessen muss die Macht dem Gas ihre Anziehungskraft kundtun, und irgendwie muss das Gas den Sternen mitteilen, dass es einen neuen Sheriff in der Stadt gibt.
Bei massereichen, kurzlebigen Sternen ist dies ziemlich einfach. Das Gas selbst peitscht mit Höchstgeschwindigkeit um den galaktischen Kern herum, bildet einen Stern, der Stern lebt, der Stern stirbt und die Überreste werden schnell genug wieder gasförmig, dass diese Sterne in jeder Hinsicht die Bewegung des Gases nachahmen und geben uns die Rotationskurven, die wir brauchen.
Große Probleme bei kleinen Sternen
Aber kleine, langlebige Sterne sind ein anderes Biest. Sie entkoppeln sich von dem Gas, das sie gebildet hat, und leben ihr eigenes Leben, wobei sie viele Male um das galaktische Zentrum kreisen, bevor sie verfallen. Und da sie die seltsame neue elektromagnetische Kraft nicht spüren, sollten sie einfach ganz von ihren Galaxien wegdriften, denn nichts hält sie in Schach.
Wenn dieses Szenario akkurat wäre und massive Photonen dunkle Materie ersetzen könnten, sollte unsere eigene Sonne nicht dort sein, wo sie heute ist.
Darüber hinaus haben wir sehr guten Grund zu der Annahme, dass Photonen tatsächlich masselos sind. Sicher, die Maxwell-Gleichungen sind vielleicht nicht so wichtig, aber die spezielle Relativitätstheorie und die Quantenfeldtheorie tun es. Sie fangen an, mit der Photonenmasse herumzuspielen, und Sie müssen viel erklären, Mister.
Kosmischer Mikrowellenhintergrund von Planck gesehen. Bildnachweis: ESA
Und nur weil jeder Galaxienrotationskurven liebt, bedeutet das nicht, dass sie unser einziger Weg zur Dunklen Materie sind. Beobachtungen von Galaxienhaufen, Gravitationslinsen, das Strukturwachstum im Universum und sogar die kosmischer Mikrowellenhintergrund alle weisen in Richtung einer unsichtbaren Komponente unseres Universums.
Selbst wenn das Photon Masse hätte und irgendwie die Bewegungen von . erklären könntealleSterne in einer Galaxie, nicht nur die massereichen, könnte die Vielzahl anderer Beobachtungen nicht erklären (wie könnte beispielsweise eine neue elektromagnetische Kraft die Gravitationsbiegung des Lichts um einen Galaxienhaufen erklären? Das ist keine rhetorische Frage – es kann nicht). Mit anderen Worten, selbst in einem Kosmos, der mit massiven Photonen gefüllt ist, bräuchten wir immer noch dunkle Materie.
Sie können den Zeitschriftenartikel lesen Hier .
