Die Milchstraße sollte nicht existieren, hier ist der Grund

Wenn Sie einen Wassertropfen im Weltraum nehmen und ihn um eine Achse drehen würden, würde sich eine perfekt runde Flüssigkeitskugel in eine längliche Ellipse verwandeln. Drehen Sie sie noch schneller und Sie hätten bald eine abgeflachte Stange-förmige Scheibe.

Drehen Sie es darüber hinaus noch schneller, und der Drehimpuls und die Zentrifugalkräfte, die auf dieses Wassertröpfchen wirken, würden das Tröpfchen zerreißen und Mikrotröpfchen und sogar einzelne Wassermoleküle in alle Richtungen fliegen lassen.

Genau dasselbe sollte mit der Milchstraße, Andromeda und anderen Galaxien im Universum passieren, aber das ist nicht das, was wir sehen.

Stattdessen sehen wir nadelradförmige Galaxien, Klumpen von Zwerggalaxien, die sich umeinander drehen und sich zu Haufen bilden, und die Sterne entlang der äußeren Ränder der Galaxien, die mit halsbrecherischer Geschwindigkeit um galaktische Zentren peitschen, entgegen der Vorhersage der Physik.

Als Astronomen in der zweiten Hälfte des 20.

Aber immer wieder kamen die Beobachtungen zu den gleichen Daten und dem gleichen Ergebnis: Die Masse der beobachtbaren Galaxien reicht für die Schwerkraft beklagenswert nicht aus, um alles zusammenzuhalten.

Das Universum sollte angesichts der beteiligten physikalischen Kräfte ein zufälliger, heftiger Spritzer von Sternen sein – und doch sind sie da, drehen sich ordentlich zu Windrädern und verklumpen wie Kondenswasser auf den Fliesen nach einer heißen Dusche.

Die einzige Erklärung, die irgendjemand gefunden hat, ist im Wesentlichen ein mathematischer Trick: Dunkle Materie. Aber was ist dunkle Materie? Was meinen Wissenschaftler mit "dunkel"? Hat es jemals jemand gesehen? Und was bedeutet das alles für dieStandardmodell der Physik?

Dunkle Körper: Das beobachtbare Universum vor der Dunklen Materie

DerDie Idee von Materie, die wir nicht sehen können, ist nicht besonders neu. Die antiken griechischen Naturphilosophen haben alle die Natur der materiellen Welt untersucht und ob das, was wir sahen, wirklich alles war, was es gab.

Der griechische Philosoph und WissenschaftlerPhilolas spekulierte über eine Anti-Erde — Antichthon — das sich direkt gegenüber dem "Zentralfeuer" der Sonne von der Erde aus drehte und für uns Erdlinge immer unsichtbar blieb.

Aristoteles hat mit seinem geozentrischen Modell des Universums, das im Mittelalter und in der Frührenaissance von der katholischen Orthodoxie übernommen wurde, die Dinge ungefähr zwei Jahrtausende lang vermasselt.

Aber dieses Modell wurde letztendlich durch Galileis Beobachtung anderer Sterne in der beobachtbaren Milchstraße und der Umlaufbahn von Satelliten um Jupiter, die nur mit dem neu erfundenen Teleskop beobachtbar waren, verworfen.

Dies ist ein wichtiger Hinweis für das Universum, wenn es darum geht, Annahmen über Materie zu treffen, die Sie nicht sehen können, und dass neue Technologien unsere Perspektive auf das Universum radikal verändern können.

Der nächste ist der englische Rektor und Astronom John Michell aus Oxford, der vorhergesagt "dunkle Sterne" im Jahr 1783aus den Gesetzen der universellen Gravitation, die von festgelegt wurdenIsaac Newton in seinem Philosophen Naturalis Principia Mathematica.

Michell, einer der großen unbeachteten Köpfe der Geschichte, hat verstanden, dass wenn Ole Rømers Berechnung der Lichtgeschwindigkeit im Jahr 1676 war richtig – insbesondere, dass sich Licht nicht sofort ausbreitete, sondern sich tatsächlich mit einer quantifizierbaren Geschwindigkeit fortbewegte – und Newtons „Korpuskel“-Theorie des Lichts – dass Licht aus diskreten, winzigen Teilchen miteine physische Masse – stimmte, dann führte dies zu einer unglaublichen Schlussfolgerung.

Es könnte Sterne geben, die so massiv sind, dass ihre Schwerkraft so stark ist, dass das von ihnen emittierte Licht nicht entweichen und daher nicht gesehen werden kann. Sie wären unglaublich massereiche, effektiv unsichtbare Objekte am Nachthimmel.

Im Wesentlichen Schwarze Löcher mit einem anderen Namen – und leider eine andere Physik, die nach der Allgemeinen Relativitätstheorie veraltet ist. Michells Argumentation war jedoch immer noch solide und war im Wesentlichen die gleiche Schlussfolgerung, zu der Karl Schwarzschild gelangte, als er die erste exakte Lösung für lieferte.Albert Einsteins Gravitationsfeldgleichungen im Jahr 1915.

Die damals unsichtbare Masse des Planeten Neptun wurde 1846 durch Beobachtung der Auswirkungen auf die Umlaufbahn des Planeten Uranus entdeckt.

Die Idee der "dunklen Nebel" kam in der zweiten Hälfte des 19.mit riesigen Weiten des dunklen, leeren Raums.

Arthur Ranyard, ein englischer Astrophysiker, glaubte, dass die dunklen Räume am Nachthimmel das Ergebnis von dunklen Massen waren, die das Licht der Sterne dahinter aus unserer Perspektive blockierten. Er schrieb 1894:

Die dunklen Leerstellen oder Kanäle, die nach Norden und Süden verlaufen, in der Nähe von [θ Ophiuchi] im Zentrum .... scheinen mir zweifellos dunkle Strukturen oder absorbierende Massen im Raum zu sein, die das Licht aus dernebulöse oder stellare Region dahinter.

Lord Kelvin, der berühmte britische Wissenschaftler und Mathematiker, unternahm die erste große Schätzung der Masse des Universums, wie sie zu seiner Zeit verstanden wurde. Kelvin beobachtete die Geschwindigkeitsdispersionen von Sternen, die den galaktischen Kern umkreisen, und leitete daraus die seiner Meinung nach Masse ab.des Universums.

Er hat wirklich die Masse der Milchstraße gemessen – das Konzept einer modernen Galaxie und dass die Milchstraße nur eine von Milliarden von Galaxien war, die erst 1924 entdeckt werden würden – er argumentierte immer noch, dass es unglaublich viele gibtMaterie im Universum, die wir nicht sehen konnten, in Form von toten Sternen, die kein Licht werfen, oder Sternen, die so weit entfernt sind, dass sie zu dunkel sind, um sie zu sehen :

Es ist dennoch wahrscheinlich, dass es bis zu 10 sein können⁹ Sterne [innerhalb einer Kugel mit einem Radius von 3,09 x 10¹⁶Kilometer] aber viele von ihnen können ausgestorben und dunkel sein, und neun Zehntel von ihnen, obwohl nicht alle dunkel, sind möglicherweise nicht hell genug, um von uns in ihrer tatsächlichen Entfernung gesehen zu werden. […] Viele unserer Sterne vielleichteine große Mehrheit von ihnen können dunkle Körper sein.

Obwohl Newtons klassische Mechanik inzwischen durch die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein ersetzt wurde und Michells dunkler Stern durch das genauere Schwarze Loch, wie wir es heute verstehen, ersetzt wurde, ist die Vorstellung von Materie, die wir tatsächlich nicht klar sehen können, nichtNeu.

Tatsächlich gibt es fast so viele Ideen über die Natur der Dunklen Materie, wie es Astronomen im Laufe der Jahrhunderte darüber geschrieben haben. Aber auch wenn das moderne Konzept der Dunklen Materie diesen früheren Untersuchungen viel zu verdanken hat, wie sind wir dazu gekommenist eine andere, na ja, Angelegenheit.

Wie sind Galaxien überhaupt eine Sache?

Als der Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky den Begriff prägtedunkle materie oder dunkle Materie, 1933 war er sicherlich nicht der einzige, der bemerkte, dass es im beobachtbaren Universum viel mehr Gravitation gab als beobachtbare Materie.

Zwicky studierte den Coma-Galaxienhaufen und verwendete den Virialsatz – eine allgemeine mathematische Gleichung für die kinetische Energie eines Teilchensystems mit seiner gesamten potentiellen Energie — und fand Beweise für eine große Menge fehlender Materie aus seinen Beobachtungen.

Zwicky berechnete, dass es im Koma-Galaxienhaufen mehr als 400 Mal mehr Masse gab, als direkt beobachtbar war, weil die beobachtbare Gravitation im Haufen viel zu klein war, um die beobachtete Geschwindigkeit der galaktischen Umlaufbahnen zu erklären.

Während Zwickys Zahlen aufgrund einer falsch berechneten Hubble-Konstanten im Jahr 1933 weit auseinander lagen, hatte er immer noch Recht, dass es im Koma-Haufen mehr Dunkle Materie als beobachtbare Materie gab.

Während andere Beobachtungen der Andromeda-Galaxie zu den frühen Beweisen für unsichtbare Materie in den 1930er Jahren beitragen würden, würde es weitere 40 bis 50 Jahre dauern, bis bedeutende Entwicklungen in der Astronomie die Erforschung der fehlenden Materie des Universums wirklich in Gang setzen.

DasArbeit stammt von Dr. Vera Rubin, Kent Ford und Ken Freeman in den frühen 1970er Jahren, insbesondere im Zusammenhang mit der Untersuchung der Rotationskurven von sogenannten "Edge-on"-Spiralgalaxien, jenen Galaxien, bei denen unsere Perspektive fast 90 Grad von ihrer Rotationsachse entfernt ist.

Wenn Sie sich vom Gravitationszentrum eines Systems, wie unserem eigenen Sonnensystem oder der Milchstraße, entfernen, kreisen Objekte in der Nähe des Schwerpunkts schneller als Objekte weiter draußen.

Merkur umkreist die Sonne in nur 87,97 Tagen; Venus in 224,7 Tagen; Erde in 365,25 Tagen; Mars in 686,98 Tagen; Jupiter in 4.332,59 Tage; Saturn in 10.759.22 Tagen; Uranus in 30.688,5 Tagen; und Neptun in 60.195 Tagen. Wenn Sie diese Zahlen in einem Diagramm darstellen, erhalten Sie eine Kurve, die als Keplersche Abnahme bekannt ist.

Als Rubin, Ford und Freeman die Rotationskurve von Spiralgalaxien kartierten, sahen sie diesen Rückgang jedoch nicht – in vielen Fällen beschleunigten sich sogar einige Sterne am äußeren Rand der Galaxie.

"Große Astronomen haben uns gesagt, dass es nichts zu bedeuten hat“, sagte Rubin. Rubin und ihren Kollegen wurde gesagt, sie sollten weiter Beobachtungen machen und das Problem würde sich von selbst klären. Stattdessen fanden sie immer wieder dasselbe Phänomen.

Die einzige Möglichkeit, diese Beobachtungen mit Einsteins Relativitätstheorie oder sogar nur mit der klassischen Mechanik von Newton in Einklang zu bringen, bestand darin, dass ein Vielfaches der Masse nicht sichtbar wäre, als die Masse, die es könnte.

"Niemand hat uns jemals gesagt, dass alle Materie [Licht] ausstrahlt", sagte Rubin. "Wir [Astronomen] haben es einfach angenommen."

Eine wichtige Unterstützung für Rubins Arbeit kam 1973 von den Princeton-Theoretikern Jeremiah Ostriker und James Peebles, die Supercomputersimulationen verwendeten, um die Entwicklung von Spiralgalaxien aufzuzeichnen.

Anstatt die ordentliche, verwässerte Entwicklung von Spiralgalaxien über Milliarden von Jahren zu sehen, stellten sie fest, dass die Menge der beobachtbaren Masse nicht stark genug war, um Spiralgalaxien wie die Milchstraße zusammenzuhalten.

Am Ende würden sie sich entweder unter der Kraft ihrer eigenen Winkelgeschwindigkeit verziehen oder sie würden sich einfach auseinanderreißen und ihre Sterne in den intergalaktischen Raum zerstreuen.

Wie hielten diese Galaxien damals zusammen? Ostriker und Peebles begannen, den Simulationen einen zusätzlichen Parameter hinzuzufügen – einen die Galaxien umgebenden Massenhalo.

Sie fügten diesem Halo eine beliebige Masse hinzu und führten die Simulationen erneut durch, wobei die Masse im Halo erhöht oder verringert wurde, bis sich die Galaxien zu den Galaxien stabilisierten, die wir heute beobachten.

Sie fanden auch heraus, dass Spiralgalaxien, um sich wie im Universum eindeutig zu bilden, von einer mehrfach so großen Masse, wie wir sehen können, umgeben oder umhüllt sein müssten.

Es sind nicht nur Spiralgalaxien, die zeige Beweise für dunkle Materie. Astronomen, die die Gravitationslinsen beobachten, die von Galaxienhaufen erzeugt werden, stellen fest, dass die Effekte nur relativistisch erklärt werden können, wenn eine deutlich größere Menge an Materie vorhanden ist, die sie nicht sehen können.

Es gibt andere indirekte Beweise für die Existenz dunkler Materie durch Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sowie andere Quellen, die alle die Theorie der dunklen Materie untermauern, aber das lässt immer noch eine sehr wichtige, millionenschwere Frage offen.

Was ist dann Dunkle Materie?

Wer diese Frage beantwortet, dem werden wahrscheinlich angesehene Positionen in Elite-Institutionen auf der ganzen Welt angeboten und er gewinnt eine Schubkarre voller Preise, Medaillen und Geldpreise. Diese Frage ist eines der großen herausragenden Mysterien unserer Zeit, und es gibt keineviele klare Hinweise zum Weitermachen.

Eine Sache, die jedoch sicher zu sein scheint, ist, dass sie, was auch immer es ist, nicht mit dem elektromagnetischen Feld interagiert und daher kein Licht mit einer bekannten Wellenlänge ausstrahlt.

Und das ist alles, was jeder definitiv sagen kann, obwohl es viele Theorien gibt, die die gähnende Lücke in unserem Verständnis füllen.

Unter den möglichen Kandidaten sind urtümliche Schwarze Löcher, die aus der Zeit direkt nach dem Urknall übrig geblieben sind. In der zweiten nach dem Urknall war Materie unglaublich dicht, aber nicht gleichmäßig verteilt. Aus dieser Diskrepanz könnten Schwarze Löcher entstanden seinverschiedener Größen ohne den "modernen" Prozess des stellaren Kollapses, den wir normalerweise mit der Bildung von Schwarzen Löchern assoziieren.

Laut der WissenschaftsseiteAstronomie, "Abhängig davon, wann sie sich genau gebildet haben, können urzeitliche Schwarze Löcher Massen von nur 10 haben^-7 Unzen 10^-5 Gramm oder 100.000-mal kleiner als eine Büroklammer, bis zu etwa 100.000-mal größer als die Sonne."

Steven Hawking hat inzwischen berechnet, dass Schwarze Löcher verdampfen mit der Zeit aufgrund von Quantenfluktuationen, die zu der sogenannten Hawking-Strahlung führen.

Bei einem Schwarzen Loch mit stellarer Masse würde dieser Prozess viel länger dauern als das Leben des Universums, aber bei urzeitlichen Schwarzen Löchern könnten viele bereits vor langer Zeit aus der Existenz verschwunden sein.

Viele könnten jedoch noch bleiben. Hawking berechnete, dass urzeitliche Schwarze Löcher, die sich vor etwa 13,8 Milliarden Jahren bildeten, heute noch existieren könnten.wenn sie wogen mehr als 10¹² lbs 1.000.000.000.000 lbs - 453 Millionen kg.

Auch wenn dies unglaublich massiv klingen mag – und es ist – bedenken Sie, dass der Planet Erde etwa 1.31668 × 10 wiegt²⁵ lbs. Ein urzeitliches Schwarzes Loch müsste nur einen winzigen Bruchteil der Erdmasse haben, um heute noch zu existieren.

Und wenn Sie das Volumen der Erde so weit verkleinern würden, dass ihre Dichte ein Schwarzes Loch bilden würde, hätte dieses Schwarze Loch etwa die Größe einer Erbse. Das beobachtbare Universum könnte mit Sandkörnern gefüllt sein-große oder kleinere urzeitliche Schwarze Löcher, die wir nicht direkt beobachten könnten.

Diese Schwarzen Löcher haben möglicherweise nicht die direkteste und ausgeprägteste Gravitationswirkung auf ihre Umgebung, sodass sie fast unmöglich zu entdecken sind, aber könnte die kumulative Wirkung ihrer Gravitation sich zu der dunklen Materie summieren, die Rubin und andere vermuten?

Dies könnte leicht die Beobachtungsbeweise für dunkle Materie erklären, falls zutreffend. Bedenken Sie, dass, wenn Sie die Masse unserer Sonne in eine Dichte drücken würden, die hoch genug ist, um ein Schwarzes Loch zu bilden, ihr Ereignishorizont nur 3km scheuen die Singularität in ihrem Zentrum.

Anders ausgedrückt, die Entfernung von der Singularität im Zentrum zu ihrem Ereignishorizont wäre die Entfernung, die Sie benötigen würden, um durch eine kleine Stadt mit einigen tausend Einwohnern zu fahren.

Es hätte jedoch immer noch die gesamte Masse der Sonne in dieser Kugel, so dass diese kleine Stadt genug Gravitation ausüben würde, um jedes Objekt im Sonnensystem einzufangen: jeden Asteroiden, jeden Planeten, sogar die entfernten Objekte des Kuipergürtels unddarüber hinaus.

Beobachtungen von Astronomen deuten jedoch darauf hin, dass dies nicht die gesamte dunkle Materie erklären kann, die da draußen sein muss, und wenn solche schwarzen Löcher existieren, machen sie einen kleinen Bruchteil der Gesamtmasse der dunklen Materie in derUniversum.

Stattdessen glauben viele Astronomen, dass es im gesamten Universum eine Eindringung eines unbekannten subatomaren Teilchens gibt, das wir einfach noch nicht entdecken können, das die gesamte oder den größten Teil der zusätzlichen Gravitation erklärt, die Astronomen beobachten.

Damit solche Teilchen jedoch die schwer fassbare Dunkle Materie sind, sind Millionen und möglicherweise Milliarden dieser Teilchen erforderlichmuss jeden Quadratzentimeter des Planeten durchqueren — und alles darauf — jede Sekunde.

Trotzdem ist es niemandem gelungen, ein solches Teilchen zu entdecken, und das nicht aus Mangel an Versuchen. Die Jagd nach Dunkler Materie ist eines der dringendsten und wettbewerbsfähigsten Forschungsgebiete in der Astrophysik und Kosmologie – die positive Identifizierung von Dunkler Materie hat "Nobelpreis" steht ganz drauf.

Dennoch bleibt dunkle Materie schwer fassbar, und wir können nicht einmal mit Sicherheit sagen, dass sie existiert.

Es gibt eine andere mögliche Lösung für das Problem, das dunkle Materie zu erklären versucht, es ist nur eine, die der wissenschaftlichen Ketzerei entspricht: Vielleicht ist Einsteins allgemeine Relativitätstheorie falsch oder zumindest erbärmlich unvollständig.

Es wäre nicht das erste Mal, dass eine viel gepriesene Theorie durch einen Emporkömmling ersetzt würde, der das Universum so erklärt, wie wir es beobachteten. Schließlich war es Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die Newtons klassische Physik entthronte, die unser Denken über dieUniversum für etwas mehr als zwei Jahrhunderte; bis zu dem Moment, in dem dies nicht der Fall war.

Außerdem erklärt die Relativität bestimmte Dinge im Universum sehr gut, aber selbst zu Einsteins Zeiten wurde ihr durch Entdeckungen in einem Gebiet widersprochen, das Einstein teilweise mitbegründet hat: der Quantenmechanik.

Unterhalb der atomaren Ebene hat die Relativität einfach keinen Einfluss und kann nichts darüber erklärendie Natur oder das Verhalten von subatomaren Teilchen.

Quantenverschränkung macht Einsteins kurioser Idee, dass sich nichts schneller als Licht fortbewegen kann, und Teilchensuperposition widerspricht dem grundlegenden Gebot der Physik, dassMaterie muss einen einzigen Punkt im Raum einnehmen zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Wenn also das Universum auf der Skala von Galaxien und Galaxienhaufen letztendlich Einsteins Relativitätstheorie widerspricht, muss darauf hingewiesen werden, dass es nicht in der Verantwortung des Universums liegt, Einsteins Theorie zu entsprechen; wir müsseneine neue Theorie entwickeln, die dem Universum besser entspricht, so schmerzhaft das auch sein mag.

Die Wissenschaften der Kosmologie, Astronomie und Physik sind letztendlich keine statischen Dinge. Auch sie entwickeln sich mit der Zeit und dunkler Materie – oder eine alternative Erklärung für die Diskrepanzen von der Physik, die wir am Nachthimmel sehen –ist eindeutig ein wichtiger Schritt auf diesem evolutionären Weg.

"In einer Spiralgalaxie", Rubin sagte 2000 in einem Interview, "Das Verhältnis von dunkler zu heller Materie beträgt ungefähr den Faktor 10. Das ist wahrscheinlich eine gute Zahl für das Verhältnis unserer Unwissenheit zu unserem Wissen."

"Wir sind aus dem Kindergarten raus", fügte sie hinzu, "aber erst in der dritten Klasse."