Mixed modified-gravity--modified-inertia MOND theories

In der weiten, dunklen Stille zwischen den Sternen verweilt seit Jahrzehnten ein stilles Rätsel. Wenn Astronomen rotierende Galaxien beobachten, sehen sie etwas, das den Regeln der Gravitation, wie wir sie kennen, trotzt. Die Sterne an den äußeren Rändern dieser kosmischen Inseln bewegen sich viel zu schnell, um allein durch die sichtbare Materie der Galaxie festgehalten werden zu können. Nach unserem Standardverständnis der Physik sollten diese Sterne in die Leere davonfliegen, doch sie bleiben auf ihrer Umlaufbahn. Um dies zu lösen, haben die meisten Wissenschaftler vorgeschlagen, dass unsichtbare „Dunkle Materie“ den zusätzlichen Gravitationszug bereitstellt, der nötig ist, um die Sterne in der Spur zu halten. Eine andere Denkrichtung legt jedoch nahe, dass das Problem nicht bei der fehlenden Materie liegt, sondern bei unserem Verständnis der Gravitation selbst. Diese alternative Idee, bekannt als Modifizierte Newtonsche Dynamik oder MOND, schlägt vor, dass sich die Gravitation anders verhält, wenn die beteiligten Kräfte extrem schwach sind, wie es in den tiefen Außenbereichen einer Galaxie der Fall ist. Anstatt einer verborgenen Substanz folgt das Universum in diesen Umgebungen mit geringer Beschleunigung einfach einem anderen Satz von Regeln.

Seit Jahren versuchen Forscher, eine vollständige Theorie dieser modifizierten Gravitation aufzubauen. Die meisten Versuche konzentrierten sich darauf, die Art und Weise zu ändern, wie die Gravitation wirkt, indem sie die Anziehungskraft als den einzigen Teil behandelten, der angepasst werden müsste. Andere schlugen vor, dass der Widerstand, den Objekte spüren, wenn sie sich zu bewegen versuchen – was Physiker die Trägheit nennen – der Teil sein könnte, der sich ändert. Doch ein neues Papier von Mordehai Milgrom vom Weizmann Institute of Science legt nahe, dass die Wahrheit komplexer sein könnte. Er schlägt vor, dass in einer fundamentalen Theorie dieses Phänomens sowohl die Gravitation als auch die Trägheit gleichzeitig modifiziert werden müssen. Er behauptet nicht, die endgültige Antwort gefunden zu haben, sondern skizziert vielmehr eine weite Landschaft möglicher Theorien, in denen diese beiden Änderungen zusammenwirken und zeigen, wie sie dieselben seltsamen Beobachtungen am Himmel hervorrufen können, ohne jegliche Dunkle Materie zu benötigen.

Milgrams Arbeit beginnt mit der Betrachtung der mathematischen „Wirkung“, die beschreibt, wie das Universum operiert. In der Physik ist dies eine Methode, um den Pfad eines Objekts zu berechnen, indem man seine Bewegungsenergie gegen die auf es wirkenden Kräfte abwägt. In der standardmäßigen Newtonschen Sichtweise gibt es drei Teile dieser Berechnung: die Energie des Gravitationsfeldes, die Wechselwirkung zwischen Materie und diesem Feld sowie die Energie der bewegten Materie selbst. Traditionelle MOND-Theorien passen meist nur einen dieser Teile an. Einige ändern das Gravitationsfeld, andere ändern die Bewegung der Materie. Milgrom fragt, was passiert, wenn man sowohl das Gravitationsfeld als auch die Bewegung der Materie gleichzeitig verändert, während man die Wechselwirkung zwischen ihnen unberührt lässt. Er konstruiert Familien von Theorien, die diese beiden Modifikationen miteinander verknüpfen und ein Spektrum von Möglichkeiten schaffen, das von reiner Gravitationsmodifikation bis hin zu reiner Trägheitsmodifikation reicht.

Der Schlüssel zu seinem Ansatz ist eine einzige Zahl, die wie ein Regler fungiert und die Theorie von einem Extrem zum anderen verschiebt. An einem Ende des Reglers modifiziert die Theorie nur die Gravitation, was dem Ansatz ist, den die meisten Wissenschaftler bisher verfolgt haben. Am anderen Ende modifiziert sie nur die Trägheit. In der Mitte modifiziert die Theorie beides. Milgrom zeigt, dass für jede Einstellung auf diesem Regler die kombinierte Wirkung dieser beiden Änderungen immer noch die primäre Errungenschaft von MOND reproduzieren kann: die Fähigkeit zu erklären, warum Sterne in den äußeren Regionen von Galaxien mit konstanter Geschwindigkeit rotieren, unabhängig von ihrer Entfernung zum Zentrum. Dies ist eine entscheidende Erkenntnis, da sie demonstriert, dass das beobachtete Phänomen nicht von einer einzigen, spezifischen Art der Modifikation der Physik abhängt. Stattdessen kann es aus einer Vielzahl von zugrunde liegenden Mechanismen entstehen, solange die Änderungen an Gravitation und Trägheit korrekt aufeinander abgestimmt sind.

Eine der interessantesten Entdeckungen in diesem Papier ist, dass weder die modifizierte Gravitation noch die modifizierte Trägheit allein ausreichen, um den MOND-Effekt zu erzeugen. Wenn man eine Theorie nimmt, die nur die Gravitation ändert, und sie mit der standardmäßigen Newtonschen Bewegung kombiniert, erhält man nicht die richtigen Ergebnisse. Ebenso verhält es sich, wenn man nur die Bewegung der Teilchen ändert, aber die Standardgravitation beibehält; die Theorie scheitert. Es ist erst die spezifische Kombination aus beiden, die das beobachtete Verhalten erzeugt. Dies deutet darauf, dass, falls eine tiefere, fundamentalere Theorie des Universums existiert, diese möglicherweise ein einzelnes zugrunde liegendes Prinzip beinhaltet, das sowohl die Art und Weise, wie die Gravitation wirkt, als auch die Art und Weise, wie Objekte Widerstand gegen Veränderungen ihrer Bewegung leisten, verändert. Es ist eine Erinnerung daran, dass das Universum vielleicht nicht so einfach ist, dass man nur eine einzige Regel ändert; es könnte eine koordinierte Verschiebung in der Art und Weise erfordern, wie Raum, Zeit und Materie interagieren.

Milgrom untersucht auch, wie diese gemischten Theorien in den tiefen, stillen Regionen des Universums funktionieren, in denen die Gravitation am schwächsten ist. Er findet heraus, dass diese Theorien natürlich zu einer spezifischen Beziehung zwischen der Masse einer Galaxie und der Geschwindigkeit, mit der sie rotiert, führen. Diese Beziehung, bekannt als die Massen-Asymptotik-Geschwindigkeits-Relation, ist eine der robustesten Beobachtungen in der Astronomie. Seine Arbeit zeigt, dass diese Beziehung über sein gesamtes Spektrum an gemischten Theorien hinweg Bestand hat, ungeachtet dessen, wie der Regler eingestellt ist. Dies verstärkt die Vorstellung, dass die Verbindung zwischen Masse und Geschwindigkeit ein fundamentales Merkmal des Universums ist, das immer dann auftritt, wenn wir entweder die Gravitation, die Trägheit oder beides modifizieren. Er stellt jedoch auch fest, dass die Theorien zwar im großen Bild übereinstimmen, aber möglicherweise unterschiedliche Ergebnisse für kleinere, spezifischere Details liefern, wie etwa die Art und Weise, wie die Gravitation innerhalb unseres eigenen Sonnensystems oder wie Galaxien mit ihren Nachbarn interagieren.

Das Papier dient als heuristisches Werkzeug, um die Grenzen des Möglichen zu erkunden, ohne den Anspruch zu erheben, die definitive Theorie gefunden zu haben. Milgrom räumt ein, dass diese Modelle etwas künstlich sind, da sie noch nicht aus einer einzigen, vereinheitlichenden Idee entspringen, die erklärt, warum sowohl die Gravitation als auch die Trägheit gemeinsam variieren. Er bietet kein fertiges Produkt an, sondern vielmehr eine Landkarte des Territoriums. Indem er zeigt, dass eine breite Palette gemischter Theorien funktionieren kann, fordert er die Fachwelt heraus, über die derzeitigen Favoriten hinauszublicken und in Betracht zu ziehen, dass die Lösung des Dunkle-Materie-Rätsels in einem komplexeren Zusammenspiel von Kräften liegen könnte. Die Arbeit legt nahe, dass der Weg zum Verständnis des Universums erfordern könnte, nicht nur einen Aspekt der Physik, sondern die sehr Natur von Bewegung und Anziehung als einheitliches Ganzes neu zu überdenken.

Letztendlich unterstreicht diese Forschung die Vielfalt der Möglichkeiten, wie das Universum konstruiert sein könnte. Sie zeigt, dass das seltsame Verhalten von Galaxien nicht auf eine einzige, einzigartige Lösung hindeutet, sondern auf eine Familie von Möglichkeiten. Ob das Universum sich entscheidet, die Gravitation, die Trägheit oder eine Kombination aus beidem zu modifizieren, bleibt eine offene Frage. Klar ist jedoch, dass die Antwort wahrscheinlich in einem feinen Gleichgewicht zwischen der Art und Weise liegt, wie der Kosmos an Objekten zieht, und der Art und Weise, wie diese Objekte auf diesen Zug reagieren. Bis wir das Universum in einer Weise beobachten können, die zwischen diesen verschiedenen Möglichkeiten unterscheidet, wird das Rätsel der fehlenden Masse – oder der fehlenden Regeln – die Suche nach einem tieferen Verständnis der Gesetze, die unsere Existenz bestimmen, vorantreiben.