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Das „Modell“
der dunklen Materie (dark
matter).
...Oben
wurde bereits die beeindruckende Liste von Problemen gesehen, die schon
allein mit der Astrophysik zusammenhängen. Die Galaxien rotieren zu schnell, zum
Beispiel. Die erfasste Masse ist 3- bis 5-mal zu gering, um
die Zentrifugalkraft auszugleichen. Die Situation ist bei Galaxienhaufen noch schlimmer. Ein Problem,
das schon alt ist, da es ursprünglich von Fritz Zwicky vor Jahrzehnten
gemeldet worden war.
...Wie
kommt man da heraus? Muss man das Newtonsche Gesetz revidieren? Manche haben einfach
vorgeschlagen, dass Galaxien, Galaxienhaufen und sogar
das gesamte Universum in ihrem Inneren eine Masse beherbergen könnten (die
zum Gravitationsfeld beiträgt), die sich bisher der
Beobachtung entzogen hätte. Worum konnte es sich handeln? Zum Beispiel um Sterne, die zu
wenig Strahlung aussenden. Man fand einen Namen für diese Objekte: die MACHOS (massive
compact halo objects, also kompakte und massereiche Objekte, lokalisiert
im Halo der Galaxien: dem Teil des galaktischen Raums, der
in und außerhalb der „Scheibe“ liegt). Nachweisverfahren: Okkultation von
Quellen im Hintergrund, im Wesentlichen Sternen.
Methode: eine sehr große Zahl von Sternen verfolgen
und Helligkeitsabfälle nachweisen, deren zeitliche Entwicklung
sich von den Fluktuationen entsprechend veränderlicher Sterne unterscheiden würde.
Ergebnisse: enttäuschend.
...Andere
Hypothese: die „exotischen Teilchen“, zum Beispiel massereiche Neutrinos
(mit geringer Masse). Aber bisher kein Nachweis einer etwaigen Neutrinomasse.
....Ein anderer
Kandidat, der der Astrophysikerin Françoise Combes am Herzen liegt: kalter
Wasserstoff bei sehr niedriger Temperatur, also praktisch unbeobachtbar.
...Diese
dunkle Materie würde es dann erlauben, die starken Effekte
der Gravitationslinse zu erklären, die offenbar mit Galaxien und
Galaxienhaufen zusammenhängen (Gravitationsbögen). Viele betrachten diese Effekte
als einen „unwiderlegbaren Beweis“ für die Existenz dieser nicht
nachgewiesenen Materie.
...Es
ist dann möglich, alles Mögliche und noch viel anderes zu erklären, indem man das Universum geschickt mit dunkler Materie an den richtigen Stellen bestreut.
Es handelt sich also um eine vollkommen ad-hoc-Theorie. Manche kümmern sich
im Übrigen nicht einmal darum, den Ursprung dieser Komponente, ihre Natur,
ihren Ursprung zu rechtfertigen oder auch nur ihre Dynamik zu beschreiben, und begnügen
sich mit der Aussage, es handle sich um eine neue Astronomie, „in
der man nunmehr das Unsichtbare kartiert“. Teams sind am Werk, die
es unternommen haben, Karten der Verteilung dunkler Materie zu erstellen.
...Diese
erlaubt es, die großräumige Struktur des Universums festzuzurren
und sie so zu „rechtfertigen“. Anderswo erzeugt man eine Verteilung dunkler
Materie, die es nicht nur erlaubt, den Zusammenhalt der Galaxien zu rechtfertigen,
sondern auch die Form ihrer Rotationskurven. All dies wird reichlich
und ohne Probleme publiziert (astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics,
etc...). Man unterscheidet dort die „kalte dunkle Materie“ und die „heiße
dunkle Materie“.
Manche Spekulationen
erscheinen also „zulässig“.
Die Frage der kosmologischen Konstante und des Alters des Universums.
Verorten wir zunächst ihren Ursprung.
Versehen mit seiner Feldgleichung:
S = c T
...Einstein
hatte sogleich versucht, ein Modell eines Universums zu konstruieren
(1917). Da er aber nicht wusste, dass dieses instationär war, hatte er
also versucht, ein stationäres Modell zu konstruieren.
Er stieß dabei auf zahlreiche Probleme und ging dem französischen Mathematiker Elie Cartan einen Besuch ab, welcher ihm erklärte:
- Man kann Ihre Gleichung abändern. Ich schlage Ihnen vor:
S = c T -Lg
wobei g der metrische Tensor
und L eine Konstante ist. So bleibt die Gleichung
wohl tensorielle und Ihre Lösung stets invariant gegenüber Koordinatenwechsel.
-
Aber welche ist die
physikalische Bedeutung dieser Konstante L
? -
Das, mein Lieber, ist
Ihr Problem. Ich bin Mathematiker.....
Ausgehend von einer Feldgleichung kann man, unter der Annahme,
dass die Krümmung schwach und die thermischen Bewegungsgeschwindigkeiten schwach
gegenüber der Lichtgeschwindigkeit c sind, die Newtonsche Dynamik wiederfinden.
Die Newtonsche Kraft erhält dann einen Korrekturterm:
...Dieser
Korrekturterm war somit proportional zum Abstand. Die Bezeichnung
„abstoßende Kraft des Vakuums“ wird häufig verwendet (oder anziehend,
ganz je nach dem für diese willkürliche Konstante L gewählten Vorzeichen).
...Diese
abstoßende Kraft des Vakuums war der Schlussstein, der es Einsteins
stationärem Universum erlaubte, ein Gleichgewicht zu kennen
(übrigens instabil). Aber sehr schnell:
-
Die Entdeckung
von Edwin Hubble berichtete von einer Rotverschiebung z, gleichgesetzt
einer allgemeinen kosmischen Expansion (Doppler-Effekt). Also
Abschied vom stationären Universumsmodell. -
Der Russe Friedmann
veröffentlichte zur selben Zeit die instationären Lösungen der
Feldgleichung, ohne kosmologische Konstante.
Unzufrieden
zog sich Einstein unter sein Zelt zurück und sagte:
- Hätte ich gewusst, dass
das Universum instationär war, hätte ich es vor Friedmann gefunden
!
...Diese
kosmologische Konstante versank dann jahrzehntelang in nahezu völlige Vergessenheit.
Manche brachten Argumente vor, die ihre notwendige
Nullheit befürworteten. Tatsache ist, dass sie sich, bezogen auf Wirkungen
in sehr großer Entfernung, nur
auf späte Weise bemerkbar machte, als die charakteristische Dimension R(t)
des Universums „einen ausreichenden Wert“ erreicht hatte.
...Die
Messungen der Rotverschiebung, der Radialgeschwindigkeit der Galaxien, erlauben es, das Hubble-Gesetz zu kalibrieren,
das aus der Lösung der Feldgleichung folgt und einfach besagt:
Die Fluchtgeschwindigkeit
ist proportional zur Rotverschiebung z
Die Proportionalitätskonstante
heißt Hubble-Konstante Ho.
....Eine
Klammer für die, die es nicht wissen. Ein Atom, im Labor, unbewegt
gegenüber dem Messgerät, emittiert zum Beispiel eine Strahlung
entsprechend einer Wellenlänge l. Infolge des Doppler-Effekts ergibt dasselbe Atom in Bewegung eine Wellenlänge:
l' = l+ D
l
Man setzt:
| z = |
Wenn D
l positiv ist
: die Quelle entfernt sich: Rotverschiebung.
Wenn D
l negativ ist,
nähert sich die Quelle: „Blauverschiebung“.
Die Hubble-Konstante
erscheint ebenfalls im Expansionsgesetz R(t) in Abhängigkeit von der
Zeit:
...Man
weiß, dass es tatsächlich drei Friedmann-Modelle gibt, die sich
nur durch die Beschreibung unterscheiden, die sie von der fernen Zukunft des Kosmos geben.
In dem folgenden Schema, wo man angeblich „ziemlich weit“
von dieser fernen Zukunft des Universums entfernt ist, fallen die drei Kurven zusammen.
...Also
erlaubt die Kenntnis des kosmischen Expansionsgesetzes, der Hubble-Konstante,
sogleich, gemäß diesem Modell (mit Null-Kosmologischer-Konstante), daraus das Alter des Universums abzuleiten.
...Stellen
wir uns vor, wir machten eine Momentaufnahme der Explosion einer
Granate. Die Belichtungszeit würde den Objekten eine gewisse Unschärfe geben, was es erlauben würde,
ihre Geschwindigkeit abzuschätzen, also durch Betrachten eines einfachen Fotos
den Moment zu berechnen, in dem die Explosion begonnen hat. Die kosmische
Explosion ist natürlich anders als die Explosion einer Granate, aufgrund
ihrer Dynamik, da die Gravitationskraft, indem sie die Expansion bremst, diese allmählich verlangsamt.
...Die
Objekte des Kosmos sind von Eigenbewegungen beseelt, nach
Art der Moleküle eines Gases, die von einer
thermischen Bewegungsbewegung beseelt sind. Man spricht übrigens von „kosmologischem Fluid“,
einem „Gas“, dessen Moleküle die Galaxien wären.
...Um
die Hubble-Konstante bewerten zu können, musste man die
Messungen also auf ausreichend weit entfernte Objekte stützen, die also von ausreichend starken Geschwindigkeiten beseelt sind, damit diese den Mittelwert
der Bewegungsgeschwindigkeit einer Galaxie in ihrem Haufen (in der Größenordnung von 500 bis
1000 Kilometern pro Sekunde) übersteigen.
...Das
Problem blieb die Bewertung der Entfernung. Eine Galaxie auf einer Aufnahme zu sehen, ist eine Sache, ihre Entfernung zu bewerten, eine
andere. Dazu muss man ihre absolute Helligkeit kennen,
die Lichtmenge, die sie angeblich aussendet.
Lange Zeit waren die Astronomen sich über die Bewertung
dieser Hubble-Konstante nicht einig (in dieser Materie war ein großer Bestreiter
der französische Astronom de Vaucouleurs, der in den USA arbeitete).
...Die
ältesten Sterne unserer eigenen Galaxie gehören zu den Sternhaufen,
wie dem Herkules-Haufen. Bisher waren die Astronomen
alle einig, ihr Höchstalter auf etwa 15 Milliarden Jahre zu verorten
(aber manche gingen sogar bis 20 oder sogar 22....).
Das ganze Spiel bestand dann darin, die Bewertung von Ho so anzupassen, dass man nicht zu sehr von diesem Alter der ältesten Sterne abwich.
...1993 konnten die Astronomen mit Hilfe
des Weltraumteleskops Hubble Cepheiden
in extrem weit entfernten Galaxien (55 und 48 Millionen Lichtjahre) beobachten.
Die Cepheide ist der Maßstab für Entfernungen schlechthin,
da man angeblich das Gesetz kennt, das ihre Fluktuationsperiode
und die Lichtmenge, die sie aussenden, ihre absolute Helligkeit verbindet (Gesetz von Henrietta Leawitt, 1912). Misst man mit
Hilfe des Teleskops ihre scheinbare Helligkeit, leitet man daraus
ihre Entfernung ab.
...Die
an Galaxien durchgeführten Messungen in den Jahren 93-94 teilten die
Entfernung, die man bisher geschätzt hatte, um fast einen Faktor zwei.
Dadurch fiel das Alter des Universums auf 8 oder 9 Milliarden Jahre
und dieses wurde ... jünger als die Sterne, die es enthielt.
Und die Zeitschrift Nature schloss 1994: „das Modell muss
überarbeitet werden“.
...Seitdem
sind zwei neue Tatsachen eingetreten. Das Gesetz über die Cepheiden
muss, um verwertbar zu sein, kalibriert werden. Wenn man
annimmt, dass es eine Beziehung zwischen der Periode dieser veränderlichen Sterne
und ihrer absoluten Helligkeit, der Lichtmenge, die sie aussenden, gibt,
muss man noch über unabhängige Entfernungsmessungen verfügen. Diese
werden durch die Parallaxenmethode von Bessel geliefert. Man bedient sich dann
der saisonalen Verschiebung der Erde um die Sonne, indem man
zwei diametral entgegengesetzte Positionen einnimmt. Für einen gegebenen,
relativ nahen Stern erhält man gegenüber einem Hintergrund sehr
weit entfernter Sterne zu den beiden Jahreszeiten zwei unterschiedliche Positionen, entsprechend einem gewissen
Winkelabstand Dq .
...Diese Methode hat ihre Grenzen. Je weiter entfernt
der Stern ist, desto größer ist die Fehlermarge. Die Entfernungsmessungen
wurden kürzlich unter Verwendung des Satelliten Hipparcos neu kalibriert.
Laut den Spezialisten hätte die Analyse der vom Satelliten übermittelten
Daten zu einer Revision der geschätzten Entfernungen
für die Cepheiden geführt, die klassisch
zur Kalibrierung des Gesetzes dienen, wobei ihre Entfernung um einen Faktor
1,2 bis 1,4 zunähme. So waren die Galaxien, in denen der Satellit Hubble
Cepheiden entdeckt hatte, „nicht
so nah“ und daher das Universum „nicht so jung“. Ihrerseits unternahmen diejenigen, die das Alter der ältesten
Sterne der Sternhaufen unserer Galaxie bewerteten, ernsthafte
Anstrengungen nach unten, und „alles ordnet sich wieder“, meinen manche.
Nehmen wir es hin...
...Die andere
„klassische“ Lösung besteht, wie Lachièze-Rey es getan hatte, darin,
in der Eile die kosmologische Konstante L
aus ihrem Mottenkasten hervorzuholen. Mit dem richtigen Vorzeichen versehen (abstoßende Kraft des Vakuums)
hat diese den Effekt, die Expansion wieder anzukurbeln:
Das Gesetz:
hört also auf, gültig zu sein, oder liefert ein kürzeres Alter. Tatsächlich
kann man durch dieses Modell „mit variabler Geometrie“
stets einen Wert von L wählen, der
mit jedem beliebigen Wert des Alters des Universums, zum Beispiel dem
seiner ältesten Sterne, vereinbar ist. Manche gingen sogar so weit
zu sagen, dies gebe schlichtweg ein Maß für L
.
...Der
Streit, der die Astronomen über das Alter des Universums entzweit, scheint
noch weit davon entfernt, zu erlöschen. Zwischen den Optimisten, die sich auf eine kürzliche Neukalibrierung
der Cepheiden stützen, das gesamte nahe Universum ausdehnen (wie zum Beispiel die Entfernung der Andromeda-Galaxie) und
eine Neubewertung des Alters
der ältesten Sterne nach unten zulassen, und den Alarmisten, die denken, dass die Hubble-Messungen
ein echtes Problem aufwerfen, welche Position
einnehmen?
Gewiss die eines vorsichtigen
Abwartens.
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