Modell der dunklen Materie

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Das „Modell“ der dunklen Materie (dark matter).

...Wie oben bereits dargestellt, gibt es eine beeindruckende Liste von Problemen, die sich allein aus der Astrophysik ergeben. Galaxien drehen sich beispielsweise zu schnell. Die beobachtete Masse ist 3 bis 5 Mal zu gering, um die Zentrifugalkraft auszugleichen. Die Situation ist bei Galaxienhaufen noch schlechter. Dieses Problem ist bereits alt, da es erstmals von Fritz Zwicky vor Jahrzehnten aufgezeigt wurde.

...Wie kommt man damit zurecht? Muss man das Newtonsche Gesetz überarbeiten? Einige schlugen einfach vor, dass Galaxien, Galaxienhaufen und sogar das gesamte Universum eine Masse enthalten könnten, die bisher der Beobachtung entgangen ist und den Gravitationsfeldern zuzuordnen wäre. Was könnte das sein? Zum Beispiel sehr schwach leuchtende Sterne. Man gab diesen Objekten einen Namen: MACHOS (massive compact halo objects, also massive, kompakte Objekte im Halo von Galaxien: dem Bereich des galaktischen Raums innerhalb und außerhalb des „Scheibens“). Methode der Detektion: Okkultation von Hintergrundquellen, hauptsächlich Sterne. Verfahren: Beobachtung einer sehr großen Zahl von Sternen und Identifizierung von Helligkeitsabfällen, deren zeitliche Entwicklung sich von den Schwankungen variabler Sterne unterscheidet.

Ergebnisse: enttäuschend.

...Eine andere Hypothese: „exotische Teilchen“, beispielsweise massive Neutrinos (mit einer geringen Masse). Bisher konnte jedoch keine nachweisbare Masse der Neutrinos gefunden werden.

...Ein weiterer Kandidat, der der Astrophysikerin Françoise Combes besonders am Herzen liegt: kaltes Wasserstoffgas bei sehr niedriger Temperatur, also praktisch nicht beobachtbar.

...Diese dunkle Materie könnte dann die starken gravitativen Linseneffekte erklären, die offenbar mit Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhängen (gravitative Bogen). Viele betrachten diese Effekte als „unwiderlegliche Beweise“ für die Existenz dieser bisher nicht nachweisbaren Materie.

...Es ist dann möglich, alles und jedes durch gezielte Verteilung dunkler Materie an den richtigen Stellen zu erklären. Es handelt sich also um eine vollkommen ad-hoc-Theorie. Einige kümmern sich nicht einmal darum, die Herkunft, Natur oder Dynamik dieses Bestandteils zu begründen, sondern beschränken sich darauf, von einer neuen Astronomie zu sprechen, „in der wir nun das Unsichtbare kartografieren“. Es gibt Teams, die daran arbeiten, Karten der Verteilung dunkler Materie zu erstellen.

...Diese dunkle Materie ermöglicht es, die großräumige Struktur des Universums zu erklären und damit zu „rechtfertigen“. An anderen Stellen wird eine Verteilung dunkler Materie erzeugt, die nicht nur die Kohäsion von Galaxien, sondern auch die Form ihrer Rotationskurven erklärt. Alles dies wird reichlich und problemlos veröffentlicht (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics usw.). Dort unterscheidet man zwischen „kalter dunkler Materie“ und „heißer dunkler Materie“.

Einige Spekulationen erscheinen daher „zulässig“.

Die Frage nach der kosmologischen Konstante und dem Alter des Universums.

Zunächst zur Herkunft dieser Konstante. Mit seiner Feldgleichung:

**S = **c T

...suchte Einstein sofort nach einem Modell des Universums (1917). Da er jedoch nicht wusste, dass das Universum nicht stationär ist, suchte er nach einem stationären Modell. Dabei stieß er jedoch auf zahlreiche Probleme und besuchte den französischen Mathematiker Elie Cartan, der ihm sagte:

• Man kann Ihre Gleichung verändern. Ich schlage vor:

**S = **c T - Lg ** **

wobei **g **der metrische Tensor und **L **eine Konstante ist. Auf diese Weise bleibt die Gleichung weiterhin tensoriell und Ihre Lösung bleibt weiterhin invariant gegenüber Koordinatentransformationen.

• Aber was ist die physikalische Bedeutung dieser Konstanten L?

• Das, mein lieber Freund, ist Ihre Sache. Ich bin ja nur Mathematiker...

Aus einer Feldgleichung, unter der Annahme geringer Krümmung und langsamer thermischer Bewegungsgeschwindigkeiten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit c, kann man die Newtonsche Dynamik wiederherstellen. Die Newtonsche Kraft erhält dann einen Korrekturterm:

...Dieser Korrekturterm war proportional zur Entfernung. Der Begriff „abstoßende Kraft des Vakuums“ wird häufig verwendet (bzw. anziehend, je nach Vorzeichen der willkürlich gewählten Konstanten L).

...Diese abstoßende Kraft des Vakuums war der Schlüssel, der es Einsteins stationärem Universum ermöglichte, ein Gleichgewicht (allerdings instabiles) zu erreichen. Doch sehr bald:

• Die Entdeckung von Edwin Hubble zeigte einen Rotverschiebungswert z, der als allgemeine Expansion des Universums interpretiert wurde (Dopplereffekt). Damit war das Modell des stationären Universums hinfällig.

• Gleichzeitig veröffentlichte der Russe Friedmann instationäre Lösungen der Feldgleichung ohne kosmologische Konstante.

Unzufrieden zog sich Einstein unter seine Zelt zurück und sagte:

-* Wenn ich gewusst hätte, dass das Universum instationär ist, hätte ich Friedmann vorausgegangen!*

...Die kosmologische Konstante geriet danach in fast vollständiges Vergessen für Jahrzehnte. Einige argumentierten dafür, dass sie notwendigerweise null sein müsse. Tatsächlich zeigt sie sich nur sehr spät, wenn die charakteristische Dimension R(t) des Universums eine „ausreichend große“ Größe erreicht hat, da sie sich nur bei sehr großen Entfernungen bemerkbar macht.

...Die Messung der Rotverschiebung und der radialen Geschwindigkeiten von Galaxien ermöglicht die Kalibrierung der Hubble-Gesetz, die aus der Lösung der Feldgleichung folgt und besagt:

Die Fluchtgeschwindigkeit ist proportional zur Rotverschiebung z

Die Proportionalitätskonstante heißt Hubble-Konstante Ho.

...Eine kurze Anmerkung für diejenigen, die es nicht wissen: Ein Atom, im Labor ruhend gegenüber dem Messgerät, emittiert beispielsweise Strahlung mit einer Wellenlänge l. Aufgrund des Dopplereffekts gibt dasselbe Atom, wenn es sich bewegt, eine Wellenlänge l' = l + Dl aus.

Man definiert:

| Dl |
|---|
| l |

Wenn Dl positiv ist: die Quelle entfernt sich → Rotverschiebung.

Wenn Dl negativ ist, nähert sich die Quelle an → Blauverschiebung.

Die Hubble-Konstante tritt auch in der Expansionsgesetz R(t) in Abhängigkeit von der Zeit auf:

...Man weiß, dass es tatsächlich drei Friedmann-Modelle gibt, die sich nur in der Beschreibung der fernen Zukunft des Kosmos unterscheiden.

In der folgenden Abbildung, in der man sich „genügend weit“ von dieser fernen Zukunft entfernt befinden soll, sind die drei Kurven identisch.

...Die Kenntnis des kosmologischen Expansionsgesetzes und der Hubble-Konstante ermöglicht es daher sofort, gemäß diesem Modell (mit null kosmologischer Konstante) das Alter des Universums abzuleiten.

...Stellen wir uns vor, wir machen eine Momentaufnahme der Explosion einer Granate. Die Belichtungszeit würde eine gewisse Unschärfe der Objekte erzeugen, was deren Geschwindigkeit ermöglicht, zu bestimmen, und somit, ausgehend von einer einzigen Aufnahme, den Zeitpunkt der Explosion zu berechnen. Die kosmische Explosion unterscheidet sich natürlich von der Explosion einer Granate hinsichtlich ihrer Dynamik, da die Gravitationskraft die Expansion bremst und diese schrittweise verlangsamt.

...Die Objekte des Kosmos bewegen sich mit eigenen Bewegungen, ähnlich wie Moleküle eines Gases, die thermische Bewegung ausführen. Man spricht daher von einem „kosmologischen Fluid“, einem „Gas“, dessen Moleküle die Galaxien sind.

...Um die Hubble-Konstante zu bestimmen, musste man Messungen an Objekten vornehmen, die ausreichend weit entfernt waren, also mit ausreichend hohen Geschwindigkeiten, die die durchschnittliche thermische Bewegungsgeschwindigkeit übertrafen.