Ist die Hauptkonkurrententheorie der Dunklen Materie tot? Die Raumsonde Cassini und andere aktuelle Tests könnten MOND ungültig machen

Eines der größten Rätsel der heutigen Astrophysik ist, dass sich die Kräfte in Galaxien scheinbar nicht summieren. Galaxien rotieren viel schneller als vorhergesagt, wenn man Newtons Gravitationsgesetz auf ihre sichtbare Materie anwendet, obwohl diese Gesetze überall im Sonnensystem gut funktionieren.

Um zu verhindern, dass Galaxien auseinanderfliegen, ist eine gewisse zusätzliche Schwerkraft erforderlich. Aus diesem Grund wurde erstmals die Idee einer unsichtbaren Substanz namens Dunkle Materie vorgeschlagen. Aber niemand hat das Zeug jemals gesehen. Und im äußerst erfolgreichen Standardmodell der Teilchenphysik gibt es keine Teilchen, die dunkle Materie sein könnten – es muss etwas ziemlich Exotisches sein.

Dies hat zu der konkurrierenden Vorstellung geführt, dass die galaktischen Diskrepanzen stattdessen durch einen Zusammenbruch der Newtonschen Gesetze verursacht werden. Die erfolgreichste Idee dieser Art ist als Milgrom-Dynamik oder MOND bekannt und wurde 1982 vom israelischen Physiker Mordehai Milgrom vorgeschlagen. Unsere jüngsten Untersuchungen zeigen jedoch, dass diese Theorie in Schwierigkeiten steckt.

Das Hauptpostulat von MOND ist, dass sich die Schwerkraft anders zu verhalten beginnt als Newton erwartet, wenn sie sehr schwach wird, beispielsweise an den Rändern von Galaxien. MOND ist ziemlich erfolgreich darin, die Rotation von Galaxien ohne dunkle Materie vorherzusagen, und es hat noch einige andere Erfolge vorzuweisen. Aber viele davon lassen sich unter Wahrung der Newtonschen Gesetze auch mit Dunkler Materie erklären.

Wie stellen wir MOND also auf die Probe? Das verfolgen wir schon seit vielen Jahren. Der Schlüssel liegt darin, dass MOND das Verhalten der Schwerkraft nur bei geringen Beschleunigungen ändert, nicht in einer bestimmten Entfernung von einem Objekt. Am Rande eines Himmelsobjekts – eines Planeten, eines Sterns oder einer Galaxie – spüren Sie eine geringere Beschleunigung als in seiner Nähe. Aber es ist das Ausmaß der Beschleunigung und nicht die Distanz, die vorhersagt, wo die Schwerkraft stärker sein sollte.

Das bedeutet, dass, obwohl MOND-Effekte normalerweise mehrere tausend Lichtjahre von einer Galaxie entfernt auftreten würden, die Auswirkungen bei der Betrachtung eines einzelnen Sterns bereits nach einem Zehntel Lichtjahr von großer Bedeutung wären. Das ist nur ein paar tausend Mal größer als eine Astronomische Einheit (AE) – der Abstand zwischen der Erde und der Sonne. Aber auch auf noch kleineren Skalen, etwa im äußeren Sonnensystem, sollten schwächere MOND-Effekte nachweisbar sein.

Dies bringt uns zur Cassini-Mission, die Saturn zwischen 2004 und ihrem letzten feurigen Absturz auf den Planeten im Jahr 2017 umkreiste. Saturn umkreist die Sonne mit 10 AE. Aufgrund einer Eigenart von MOND sollte die Schwerkraft des Rests unserer Galaxie dazu führen, dass die Umlaufbahn des Saturn auf subtile Weise von der Newtonschen Erwartung abweicht.

Dies kann durch die Zeitmessung von Funkimpulsen zwischen der Erde und Cassini getestet werden. Da Cassini Saturn umkreiste, dies half bei der Messung der Erde-Saturn-Entfernung und ermöglichte es uns, die Umlaufbahn des Saturn genau zu verfolgen. Aber Cassini fand bei MOND keine Anomalie der erwarteten Art. Newton funktioniert immer noch gut für Saturn.

Einer von uns, Harry Desmond, hat kürzlich eine Studie veröffentlicht im Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society das die Ergebnisse vertieft untersucht. Vielleicht würde MOND zu den Cassini-Daten passen, wenn wir die Art und Weise, wie wir Galaxienmassen anhand ihrer Helligkeit berechnen, optimieren würden? Das würde sich darauf auswirken, wie stark MOND die Schwerkraft verstärken muss, um in Modelle der Galaxienrotation zu passen, und somit darauf, was wir für Saturns Umlaufbahn erwarten können.

Eine weitere Unsicherheit ist die Schwerkraft der umgebenden Galaxien, die einen geringen Einfluss hat. Aber die Studie zeigte, dass MOND angesichts der Art und Weise, wie MOND funktionieren müsste, um mit Modellen für die Galaxienrotation übereinzustimmen, nicht auch mit den Cassini-Funkverfolgungsergebnissen übereinstimmen kann – ganz gleich, wie wir die Berechnungen optimieren.

Unter Berücksichtigung der Standardannahmen, die von Astronomen als am wahrscheinlichsten erachtet werden, und unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Unsicherheiten ist die Chance, dass MOND mit den Cassini-Ergebnissen übereinstimmt, genauso groß wie eine geworfene Münze, die 59 Mal hintereinander mit dem Kopf nach oben landet. Das ist mehr als das Doppelte des „5 Sigma“-Goldstandards für eine wissenschaftliche Entdeckung, was etwa 21 Münzwürfen hintereinander entspricht.

Weitere schlechte Nachrichten für MOND

Das ist nicht die einzige schlechte Nachricht für MOND. Ein weiterer Test sind breite Doppelsterne – zwei Sterne, die mehrere tausend AE voneinander entfernt ein gemeinsames Zentrum umkreisen. MOND vorhergesagt dass solche Sterne 20 % schneller umeinander kreisen sollten, als nach Newtons Gesetzen zu erwarten wäre. Aber einer von uns, Indranil Banik, hat kürzlich eine sehr detaillierte Studie dazu durchgeführt schließt aus diese Vorhersage. Die Chance, dass MOND angesichts dieser Ergebnisse Recht hat, ist die gleiche wie bei einer fairen Münze, die 190 Mal in Folge im Heads-Up landet.

Die Ergebnisse eines weiteren Teams zeigen, dass MOND auch scheitert kleine Körper im fernen äußeren Sonnensystem zu erklären. Kometen, die von dort kommen, haben eine viel engere Energieverteilung als MOND vorhersagt. Auch diese Körper haben Umlaufbahnen, die normalerweise nur leicht geneigt zur Ebene sind, in deren Nähe alle Planeten kreisen. MOND würde dazu führen, dass die Neigungen viel größer wären.

Auf Längenskalen unter etwa einem Lichtjahr wird die Newtonsche Schwerkraft der MOND-Schwerkraft stark vorgezogen. Aber MOND versagt auch auf Skalen, die über Galaxien hinausgehen: Es kann die Bewegungen innerhalb von Galaxienhaufen nicht erklären. Dunkle Materie wurde erstmals in den 1930er Jahren von Fritz Zwicky vorgeschlagen, um die zufälligen Bewegungen von Galaxien innerhalb des Coma-Clusters zu erklären, der mehr Schwerkraft benötigt, um ihn zusammenzuhalten, als die sichtbare Masse bereitstellen kann.

Auch MOND kann zumindest in den zentralen Regionen von Galaxienhaufen nicht genügend Schwerkraft bereitstellen. Aber in ihren Außenbezirken sorgt MOND dafür zu viel Schwere. Geht man stattdessen davon aus, dass die Newtonsche Schwerkraft mit fünfmal so viel Dunkler Materie wie normale Materie eine Lösung bietet passt gut zu den Daten.

Das Standardmodell der Dunklen Materie in der Kosmologie ist jedoch nicht perfekt. Es gibt Dinge, die es nur schwer erklären kann, von der Expansionsrate des Universums bis hin zu riesigen kosmischen Strukturen. Daher haben wir möglicherweise noch nicht das perfekte Modell. Es scheint, dass die Dunkle Materie bestehen bleibt, aber ihre Natur könnte sich von dem unterscheiden, was das Standardmodell vermuten lässt. Oder die Schwerkraft könnte tatsächlich stärker sein, als wir denken – aber nur in sehr großen Maßstäben.

Letztlich kann MOND jedoch in seiner jetzigen Form nicht mehr als brauchbare Alternative zur Dunklen Materie angesehen werden. Es mag uns nicht gefallen, aber die dunkle Seite herrscht immer noch.

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