Ein Fall von Mond über dunkler Materie

Nach Newtons zweitem Gesetz der Dynamik sollten Objekte an den äußersten Rändern von Galaxien niedrigere Geschwindigkeiten haben als Objekte in der Nähe des Zentrums. Einige Astronomen glauben, dass das Orbitalverhalten von Galaxien mit Modified Newtonian Dynamics (MOND) – einer modifizierten Version von Newtons zweitem Gesetz – genauer erklärt werden kann als mit der konkurrierenden, aber allgemein akzeptierten Theorie der Dunklen Materie. Die Theorie der dunklen Materie geht davon aus, dass jede Galaxie von einem Lichthof aus dunkler Materie umgeben ist, der genügend Materie (und Schwerkraft) liefert, damit alle Sterne in einer Galaxienscheibe mit derselben Geschwindigkeit umkreisen können. MOND verwendet jedoch eine andere Erklärung, und eine kürzlich durchgeführte Studie von acht Zwerggalaxien, die die Milchstraße umkreisen, scheint den MOND-Ansatz gegenüber der Theorie der dunklen Materie zu bevorzugen.

"MOND wurde zuerst vorgeschlagen, um Dinge zu erklären, die wir im fernen Universum sehen", sagte Garry Angus von der University of St. Andrews. "Dies ist die erste detaillierte Studie, in der wir die Theorie an etwas in der Nähe von zu Hause testen konnten. Die MOND-Berechnungen und die Beobachtungen scheinen erstaunlich gut übereinzustimmen. “

Normalerweise löst die Gleichung F = ma (Kraft = Masse X Beschleunigung) Ihre grundlegenden Beschleunigungsprobleme. Die beobachtete Rotation von Galaxien wird jedoch nicht erklärt. MOND legt nahe, dass bei niedrigen Beschleunigungswerten die Beschleunigung eines Teilchens nicht linear proportional zur Kraft ist. Laut Angus fügt MOND der Physik neben der Lichtgeschwindigkeit und der Planckschen Konstante eine neue Naturkonstante (a0) hinzu. Oberhalb der Konstante entsprechen die Beschleunigungen genau dem zweiten Newtonschen Gesetz (F = ma). Darunter nimmt die Schwerkraft mit der Entfernung von einer Masse ab und nicht mit der quadratischen Entfernung. Diese Konstante ist so klein, dass sie bei den großen Beschleunigungen, die wir im Alltag erleben, unbemerkt bleibt. Wenn wir zum Beispiel einen Ball fallen lassen, ist die Schwerkraft 100 Milliarden Mal stärker als a0 und die beschleunigte Bewegung der Erde um die Sonne ist 50 Millionen Mal stärker. Wenn sich Objekte jedoch extrem langsam beschleunigen, wie wir es in Galaxien oder Galaxienhaufen beobachten, wirkt sich die Konstante erheblich auf die resultierenden Gravitationskräfte aus.

Wenn MOND auf nahegelegene Zwerggalaxien angewendet wird, besteht ein Effekt darin, dass Gezeitenkräfte aus der Milchstraße, die in der klassischen Newtonschen Mechanik einen vernachlässigbaren Effekt haben, tatsächlich einen großen Unterschied machen können. Dies ist besonders wichtig für die Zwerge, die in der Nähe unserer Galaxie umkreisen.

"In diesen Zwerggalaxien ist die innere Schwerkraft im Vergleich zur Schwerkraft der Milchstraße sehr schwach", sagte Angus. „MOND schlägt vor, dass die Milchstraße ein bisschen wie eine Bank ist, die Schwerkraft an nahegelegene Zwerggalaxien ausleiht, um sie stabiler zu machen. Es gibt jedoch Bedingungen für das Darlehen: Wenn sich die Zwerggalaxien der Bank nähern, wird das Darlehen schrittweise reduziert oder sogar gekündigt, und die Zwerge müssen es zurückzahlen. In zwei Galaxien haben wir Anzeichen dafür gesehen, dass sie zu schnell zu nahe kommen und den Kredit nicht schnell genug zurückzahlen können. Dies scheint zu einer Störung ihres Gleichgewichts geführt zu haben. “

Angus verwendete MOND, um das Verhältnis von Masse zu Lichtmenge zu berechnen, die von den Sternen in den Zwerggalaxien aus den beobachteten zufälligen Geschwindigkeiten der Sterne gesammelt wurde, die unabhängig voneinander gesammelt wurden. Er berechnete auch die Umlaufbahnen der Sterne in den Zwerggalaxien. In allen acht Fällen lagen die MOND-Berechnungen für die Umlaufbahnen innerhalb der Vorhersagen. Für sechs der acht Galaxien stimmten die Berechnungen auch gut mit den erwarteten Werten für das Verhältnis von Masse zu Licht überein. Für zwei Galaxien, Sextans und Draco, waren die Verhältnisse jedoch sehr hoch, was durchaus auf Gezeiteneffekte hindeuten könnte. Der Wert für Sextane könnte auch auf Messungen der Helligkeit der Galaxie von schlechter Qualität zurückzuführen sein, von denen Angus sagte, dass sie sich für diese ultra-dunklen Objekte ständig verbessern.

„Diese Gezeiteneffekte können getestet werden, indem die 13 Jahre alte Leuchtkraft von Sextanen aktualisiert und die Umlaufbahnen von Draco und Sextanen um die Milchstraße genau beobachtet werden. Wir müssen auch einige detaillierte Simulationen durchführen, um die genauen Mechanismen der Gezeitenerwärmung zu verstehen “, sagte Angus.

Wenn Newtons Schwerkraft zutrifft, hat die in den Zwerggalaxien benötigte dunkle Materie eine konstante Dichte im Zentrum, was den theoretischen Vorhersagen widerspricht, wonach die Dichte zum Zentrum ansteigen sollte.

„Selbst ohne direkte Erkennung ist die Theorie der Dunklen Materie schwer zu beweisen oder zu widerlegen, und obwohl wir möglicherweise nicht beweisen können, ob MOND korrekt ist, können wir durch die Durchführung dieser Art von Tests feststellen, ob sie weiterhin Bestand hat oder ob dies der Fall ist definitiv ausgeschlossen “, sagte Angus.

Originalnachrichtenquelle: Nationales Astronomietreffen der Royal Astronomy Society

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