Modifizierte Newtonsche Dynamik
Die modifizierte newtonsche Dynamik, abgekürzt MOND (gesprochen mit kurzem „O“), ist eine physikalische Hypothese, die das Rotationsverhalten von Galaxien durch Modifikationen der Bewegungsgleichungen der Materie im Gravitationsfeld erklären soll. MOND wurde 1983 von Mordehai Milgrom als Alternative zum Postulat der Dunklen Materie vorgeschlagen.[1]
Die Hypothese wird kontrovers diskutiert.[2]
Hintergrund
Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien
Seit den 1980er Jahren ergeben Messungen der Rotation von Galaxien, dass die Rotationsgeschwindigkeiten nicht den Erwartungen entsprechen. Die Bahnen der Sterne in einer Galaxie werden nur von der Schwerkraft der in der Galaxie zusammengeballten Materie verursacht. Mittels der beobachteten Masseverteilung (Sterne, Gasnebel) kann die Gravitationskraft, und somit die Bahn der Sterne, berechnet werden.
Es stellte sich heraus, dass die Sterne am Rande der Galaxien schneller umliefen als nach der Theorie vorhergesagt. Man spricht vom „Abflachen der Rotationsgeschwindigkeit“ im Gegensatz zum erwarteten „Abfallen der Rotationsgeschwindigkeit“.
Modifizierte Dynamik statt Dunkler Materie
Da sowohl das newtonsche Gravitationsgesetz als auch Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie gut überprüfte Theorien zum Verhalten von Materie unter Gravitation sind, nehmen die meisten Astronomen eine nicht sichtbare (das heißt dunkle) Materiekomponente im Halo um die Galaxien an, um deren flache Rotationskurven zu erklären. Auch Beobachtungen auf größeren Skalen, etwa von Galaxienhaufen oder der großräumigen Struktur des Universums, lieferten starke Hinweise auf die Existenz von Dunkler Materie.
Statt einer Erklärung durch zusätzliche, nicht sichtbare Masse schlug Mordehai Milgrom 1983 vor, dass sich die beobachteten Rotationskurven auch durch eine Änderung der newtonschen Bewegungsgesetze darstellen ließen. Die MOND-Hypothese besagt, dass sich nur bei sehr kleinen Änderungen der Beschleunigungen, wie sie im astronomischen Maßstab auftreten, relevante Einflüsse auf die Bewegungen ergäben.
Befürworter der MOND-Hypothese führen an, dass die newtonsche Gravitationstheorie von 1686 bereits drei Modifikationen erfahren hat. Bei sehr kleinen Abständen verwenden Physiker ausschließlich die Quantenmechanik, bei sehr großen Geschwindigkeiten Einsteins spezielle Relativitätstheorie und nahe sehr großen Massen seine allgemeine Relativitätstheorie. Eine vierte Modifikation im oben genannten Extrembereich sei daher nicht ausgeschlossen.[3]
Inzwischen wurde von Erik Verlinde die MOND weiterentwickelt. Diese Theorie besagt, dass die Dunkle Materie ebenso wie die Gravitation eine Folge der Dunklen Energie ist.[4]
Die Hypothese
Das newtonsche Bewegungsgesetz besagt, dass ein Objekt der konstanten Masse $ m $, wenn es einer Kraft $ F $ ausgesetzt ist, eine Beschleunigung $ a $ erfährt:
- $ F=m\,a $
Dieses Gesetz hat sich generell als korrekt erwiesen. Allerdings ist es bei extrem kleinen Beschleunigungen nur schwer oder gar nicht experimentell nachzuweisen. Solche extrem kleinen Beschleunigungen wirken jedoch bei der Gravitationswechselwirkung zwischen entfernten Sternen.
Milgrom schlug vor, das Bewegungsgesetz zu:
- $ F=m\,\operatorname {\mu } (|a|/a_{0})\,a $
abzuändern, wobei $ \operatorname {\mu } (x) $ eine (für positive Argumente) positive, glatte, monotone Funktion ist, die annähernd 1 für hohe Werte ($ x\gg 1 $) und annähernd $ x $ für kleine Werte ($ x\ll 1 $) annimmt. Die genaue Gestalt der Funktion $ \operatorname {\mu } (x) $ ist nicht spezifiziert, in der Literatur werden am häufigsten $ \operatorname {\mu } (x)={\frac {x}{1+x}} $ und $ \operatorname {\mu } (x)={\frac {x}{\sqrt {1+x^{2}}}} $ verwendet.[5] $ a_{0} $ ist eine (positive) Konstante, die bestimmt, unterhalb welcher Beschleunigung die Modifikation relevant wird.
Unter der Annahme, dass es keine Dunkle Materie gibt und stattdessen die MOND-Hypothese zutrifft, lässt sich $ a_{0} $ aus astronomisch gemessenen Rotationskurven von Galaxien bestimmen. Milgrom erhielt aus Messungen vieler Galaxien $ a_{0}=1{,}2\cdot 10^{-10}\,\mathrm {ms} ^{-2} $.
Da alle Vorgänge des Alltagslebens bei Beschleunigungen $ a\gg a_{0} $ stattfinden, bleibt hier das Bewegungsgesetz unverändert erhalten. Weit entfernt vom Zentrum einer Galaxie sieht die Situation allerdings anders aus. Nach dem Gravitationsgesetz gilt dort:
- $ F=m\,{\frac {G\,m_{\mathrm {G} }}{r^{2}}}, $
wobei $ G $ die Gravitationskonstante, $ m_{\mathrm {G} } $ die Masse der Galaxie und $ m $ die Masse des betrachteten Sterns ist. $ r $ ist der Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Galaxie und dem des Sterns.
Mit dem modifizierten Bewegungsgesetz entsteht:
- $ {\frac {G\,m_{\mathrm {G} }}{r^{2}}}=\operatorname {\mu } (|a|/a_{0})\,a. $
Da in dieser Situation gerade $ a\ll a_{0} $, also $ a/a_{0}\ll 1 $ gelten soll, erhält man für positive $ a $ (die Gravitationsbeschleunigung ist immer positiv):
- $ \operatorname {\mu } (|a|/a_{0})\approx {\frac {a}{a_{0}}} $
und somit
- $ {\frac {G\,m_{\mathrm {G} }}{r^{2}}}={\frac {a^{2}}{a_{0}}}. $
Also ist
- $ a={\frac {\sqrt {G\,m_{\mathrm {G} }\,a_{0}}}{r}}. $
Der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit, Beschleunigung und Abstand zum Kraftzentrum für eine kreisförmige Umlaufbahn lautet:
- $ a={\frac {v^{2}}{r}}. $
Damit ergibt sich durch Gleichsetzung mit der vorangegangenen Gleichung
- $ v^{2}={\sqrt {G\,m_{\mathrm {G} }\,a_{0}}}\qquad \mathrm {bzw.} \qquad v={\sqrt[{4}]{G\,m_{\mathrm {G} }\,a_{0}}}. $
Daraus folgt, dass die Rotationsgeschwindigkeit im weiten Abstand vom Gravitationszentrum, wenn also sehr geringe Gravitationsbeschleunigung wirkt, eine Systemkonstante ist, die nur noch von der Masse beim Gravitationszentrum abhängt.
Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie
Eine relativistische Formulierung von MOND wurde 2004 von Jacob Bekenstein vorgeschlagen. Sie wird Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie genannt.
Überprüfung der Theorie durch Beobachtungen
Der Cluster-Merger 1E 0657-558 bietet die Möglichkeit, alternative Theorien zu testen. Es handelt sich um zwei Galaxienhaufen, die sich durchdrungen haben, wobei die Sterne sich weitgehend kollisionslos bewegten, während das Gas in der Mitte zurückblieb. Einerseits wurde die sichtbare Masse der Galaxien und des Gases im optischen Spektralbereich bzw. im Röntgenlicht gemessen. Das Massenverhältnis liegt zwischen 2:15 und 3:15, d. h. das Gas überwiegt. Andererseits zeigte das über die Ablenkung des Lichts bestimmte Gravitationspotential, dass die Masse bei den Galaxien überwiegt. Das ist verträglich mit der Version des kosmologischen Standardmodells, in der Dunkle Materie in Form von schweren, nicht-baryonischen Teilchen vorkommt, während die MOND-Hypothese das Zentrum der Lichtablenkung beim Gas vorausgesagt hatte.[6]
Einzelnachweise
- ↑ Mordehai Milgrom: Dynamics with a non-standard inertia-acceleration relation: an alternative to dark matter. Ann.Phys. 229, 1994, S. 384–415, doi:10.1006/aphy.1994.1012 (arXiv).
- ↑ Benoit Famaey, Stacy McGaugh: Modified Newtonian Dynamics (MOND): Observational Phenomenology and Relativistic Extensions. Living Reviews in Relativity 15, 2012, S. 10, doi:10.12942/lrr-2012-10 (arXiv).
- ↑ Pressemitteilung der Univ. Bonn: Studie stürzt Standardtheorie der Kosmologie in die Krise, 5. Mai 2009.
- ↑ Spektrum.de - Natalie Wolchover: Der Anfang vom Ende dunkler Materie. Februar 2017. Abgerufen im Februar 2017.
- ↑ Jacob D. Bekenstein: The modified Newtonian dynamics – MOND – and its implications for new physics. Contemporary Physics 47, 2006, S. 387, doi:10.1080/00107510701244055 (arXiv).
- ↑ Douglas Clowe et al.: A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter. Astrophys.J. 648, 2006, S. L109–L113, doi:10.1086/508162 (arXiv).
Literatur
- Mordehai Milgrom: Does Dark Matter Really Exist? Scientific American 8/2002; deutschsprachig: Gibt es Dunkle Materie? Spektrum der Wissenschaft Nr. 10/2002, S. 34.
- Anthony Aguirre: „Mond“ ist umstritten, aber keineswegs abwegig. Spektrum der Wissenschaft Nr. 10/2002, S. 39.
Weblinks
- Neue Zweifel an Dunkler Materie. In: Welt der Physik. 30. September 2009, abgerufen am 1. Oktober 2009 (zur Nature-Publikation).
- Gravitationstheorie. Neue Diskussion über Existenz Dunkler Materie. Spiegel Online', 1. Oktober 2009.
- The MOND pages
- Weiterer Erfolg für Alternative zur Dunklen Materie. In: Welt der Physik. Abgerufen am 5. Oktober 2012.
- Dark Matter: a Debate, 3sat.online, 25. November 2010 (Simon White und Pavel Kroupa im Interview mit Ottmar Gendera).