MOND-Theorie nicht verifizierbar: Geheimnis um dunkle Materie bleibt bestehen
"Eines der größten Rätsel der heutigen Astrophysik ist, dass die Kräfte in den Galaxien nicht zusammenzupassen scheinen" , schreiben zwei britische Forscher in dem englischsprachigen Nachrichtenmagazin The Conversation(öffnet im neuen Fenster) . Indranil Banik (University of St Andrews) und Harry Desmond (University of Portsmouth) beschäftigen sich mit der MOND-Theorie , wobei MOND hier als Abkürzung für modifizierte newtonsche Dynamik steht.
Doch es sieht so aus, als könne diese Gegentheorie zum (anscheinend lückenhaften) Standardmodell der Teilchenphysik den fachlichen Untersuchungen nicht standhalten.
Die Einführung der dunklen Materie
Die Problemstellung: Galaxien rotieren viel schneller, als es die Anwendung des newtonschen Gravitationsgesetzes auf ihre sichtbare Materie vorhersagt, obwohl diese Gesetze überall im Sonnensystem gut funktionieren. Um zu verhindern, dass Galaxien auseinanderfliegen, ist eine zusätzliche Schwerkraft erforderlich.
Darum wurde die Idee einer unsichtbaren Substanz namens dunkle Materie vorgeschlagen. Aber niemand hat diesen Stoff je gesehen und im äußerst erfolgreichen Standardmodell der Teilchenphysik gibt es keine Teilchen, die als dunkle Materie infrage kämen - es muss sich also um etwas ganz anderes handeln.
Die MOND-Theorie
Das hat zu der konkurrierenden Idee geführt, dass die galaktischen Diskrepanzen stattdessen durch einen Zusammenbruch der newtonschen Gesetze verursacht werden. Die erfolgreichste Idee dieser Art ist die milgromsche Dynamik oder modifizierte newtonsche Dynamik - kurz MOND-Theorie.
Doch diese Theorie steckt in Schwierigkeiten. Aufgrund einer Eigenart der modifizierten newtonschen Dynamik sollte die Schwerkraft aus dem Rest 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 der Raumsonde Cassini(öffnet im neuen Fenster) getestet werden.
Da Cassini den Saturn umkreiste , half dies bei der Messung des Abstands zwischen Erde und Saturn und ermöglichte der Fachwelt, die Saturnbahn genau zu verfolgen. Cassini fand laut Desmond und seinem Team(öffnet im neuen Fenster) jedoch keine Anomalie, wie sie laut MOND-Theorie erwartet wurde.
MOND-Theorie hält dem Test an Doppelsternen nicht stand
Ein weiteres Testobjekt sind große Doppelsterne - zwei Sterne, die in einem Abstand von mehreren tausend AE um ein gemeinsames Zentrum kreisen. Die MOND-Theorie sagte voraus(öffnet im neuen Fenster) , dass solche Sterne 20 Prozent schneller umeinander kreisen sollten, als es die newtonschen Gesetze erwarten lassen.
Banik und sein Team konnten diese Vorhersage in einer detaillierten Studie(öffnet im neuen Fenster) widerlegen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die modifizierte newtonsche Dynamik mit diesen Ergebnissen richtig liegt, ist so groß wie die Wahrscheinlichkeit, dass eine Münze 190 Mal hintereinander Kopf zeigt.
Test an kleinen Körpern
Die Ergebnisse eines anderen Teams um David Vokrouhlický(öffnet im neuen Fenster) (Karls-Universität in Prag) zeigen, dass die MOND-Theorie auch kleine Körper im entfernten äußeren Sonnensystem nicht erklären kann. Kometen, die von dort kommen, haben eine viel engere Energieverteilung als durch die modifizierte newtonsche Dynamik vorhergesagt. Diese Körper haben außerdem Bahnen, die in der Regel nur geringfügig gegen die Ebene geneigt sind, um die alle Planeten kreisen. Nach der MOND-Theorie müssten die Neigungen viel größer sein.
"Letztendlich kann die modifizierte newtonsche Dynamik, so wie sie derzeit formuliert ist, nicht mehr als Alternative zur dunklen Materie angesehen werden" , schlussfolgern die Forscher. "Es mag uns nicht gefallen, aber die dunkle Seite hat immer noch die Oberhand."
Doch auch das Standardmodell der dunklen Materie in der Kosmologie ist nicht perfekt. Es gibt Dinge, die es nicht erklären kann, von der Expansionsrate des Universums bis hin zu riesigen kosmischen Strukturen. Es scheint, dass die dunkle Materie bestehen bleibt - aber ihre Beschaffenheit könnte anders sein, als das Standardmodell vermuten lässt.
Oder die Schwerkraft ist in der Tat stärker, als bislang angenommen wird - allerdings nur auf sehr großen Skalen, erklären die Forscher. Auch die MOND-Theorie kann nicht genug Schwerkraft bieten(öffnet im neuen Fenster) , zumindest in den zentralen Regionen von Galaxienhaufen. Aber in den Außenbezirken bietet sie zu viel Schwerkraft. Nimmt man stattdessen die newtonsche Schwerkraft an, bei der die dunkle Materie fünfmal so groß ist wie die normale Materie, scheinen die Daten gut zu passen.
Zu den Studien
Die Forschungsarbeit (von Harry Desmond et al.) wurde am 5. April 2024 in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht: On the tension between the radial acceleration relation and Solar system quadrupole in modified gravity MOND(öffnet im neuen Fenster) (Zur Spannung zwischen der Radialbeschleunigungsrelation und dem Quadrupol des Sonnensystems bei modifizierter Schwerkraft MOND).
Am 13. Mai 2014 erschien im Fachmagazin Physical Review D folgende Studie: Constraints on modified Newtonian dynamics theories from radio tracking data of the Cassini spacecraft(öffnet im neuen Fenster) (Einschränkungen für Theorien der modifizierten newtonschen Dynamik anhand von Funkverfolgungsdaten der Cassini-Raumsonde).
Die Forschungsarbeit (von Indranil Banik, et al.) wurde am 3. November 2023 in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht: Strong constraints on the gravitational law from Gaia DR3 wide binaries(öffnet im neuen Fenster) (Starke Einschränkungen des Gravitationsgesetzes durch große Doppelsterne in Gaia DR3).
Am 27. Juli 2018 erschien im Fachmagazin Monthly Notices of the Royal Astronomical Society folgende Studie: Testing gravity with wide binary stars like α Centauri(öffnet im neuen Fenster) (Prüfung der Schwerkraft mit großen Doppelsternen wie α Centauri).
Die Forschungsarbeit (von David Vokrouhlický, et al.) wurde am 14. März 2024 auf den Pre-Print-Server Arxiv veröffentlicht: Testing MOND on small bodies in the remote solar system(öffnet im neuen Fenster) (Erprobung von MOND an kleinen Körpern im entfernten Sonnensystem).
Am 25. August 2023 erschien im Fachmagazin Astronomy & Astrophysics folgende Studie: Measuring galaxy cluster mass profiles into the low-acceleration regime with galaxy kinematics(öffnet im neuen Fenster) (Messung von Massenprofilen von Galaxienhaufen im Bereich niedriger Beschleunigung mithilfe der Galaxienkinematik).