Eine neue Studie mit Daten der Gaia-Weltraummission der Europäischen Weltraumorganisation behauptet, Beweise dafür gefunden zu haben, dass die Schwerkraft den Vorhersagen von Newton und Einstein widerspricht, aber nicht alle sind sich einig, dass dies der entscheidende Beweis für eine Theorie der veränderten Schwerkraft ist.

Beobachtungen von Galaxien und Galaxienhaufen zeigen, dass die Gravitationskräfte, die diese Strukturen zusammenhalten, größer sind, als man von der darin enthaltenen Materie erwarten würde. Dies hat Physiker dazu veranlasst, die Existenz dunkler Materie vorherzusagen, bei der es sich um ein hypothetisches Material handelt, das unsichtbar ist, aber über die Schwerkraft mit normaler Materie interagiert. Obwohl Dunkle Materie nie direkt beobachtet wurde, ist sie im Standardmodell der Kosmologie enthalten.

Die modifizierte Newtonsche Dynamik, kurz MOND, wurde 1983 von entwickelt Mordehai Milgrom des Weizmann-Instituts in Israel als Alternative zu Modellen der Dunklen Materie. MOND versucht, die scheinbare zusätzliche Schwerkraft, die Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält, durch eine Modifikation der Schwerkraftphysik zu erklären. MOND beschreibt insbesondere, wie die Schwerkraft bei sehr geringen Beschleunigungen anders wirkt.

Trotz gelegentlicher Erfolge für MOND, wie der Beschreibung des Bewegung von Sternen um Galaxien, der Entwicklung offener Sternhaufenund der Überleben von Zwerggalaxien, MOND wird nicht als Mainstream-Modell angesehen. Befürworter von MOND weisen jedoch darauf hin, dass Dunkle Materie noch nicht direkt beobachtet werden muss und dass sich Modelle für Dunkle Materie ständig ändern, da ihre Vorhersagen durch Experimente und Beobachtungen ausgeschlossen werden. Befürworter der Dunklen Materie argumentieren hingegen, dass MOND viele Dinge, die Modelle der Dunklen Materie können, noch nicht erklären kann.

Binäre Tests

Sterne, die in Doppelsternsystemen durch große Entfernungen voneinander getrennt sind, gelten seit langem als Objekte, die MOND auf die Probe stellen könnten. Dies liegt daran, dass die Beschleunigungen in solchen „weiten Doppelsternsystemen“ klein genug sind, dass MOND relevant ist, es ist jedoch nicht zu erwarten, dass dunkle Materie solche Systeme beeinflusst.

Jetzt, mit Datenfreigabe 3 (DR3) aus dem Astrometrische Mission Gaia, haben Astronomen endlich die Daten, um MOND in diesen Doppelsternsystemen auf die Probe zu stellen. In einem neuen Artikel veröffentlicht in Das astrophysikalische Tagebuch, Kyu-Hyun Chae von der Sejong-Universität in Südkorea hat mithilfe von Statistiken Daten analysiert, die die Umlaufbewegungen von 26,500 Doppelsternsystemen beschreiben, die sich alle im Umkreis von 650 Lichtjahren um die Erde befinden. Chae berechnete insbesondere die Gravitationsbeschleunigungen der Sterne umeinander.

„Ein binäres System ist gravitativ gebunden, daher erfährt es in seiner Umlaufbahn immer eine interne Gravitationsbeschleunigung“, erzählt Chae Physik-Welt.

Elliptische Bahnen

Wenn die Sterne vollkommen kreisförmige Umlaufbahnen umeinander hätten, würde ihre Gravitationsbeschleunigung konstant bleiben. In Wirklichkeit haben sie elliptische Umlaufbahnen, das heißt, ihr Abstand voneinander und damit ihre Erdbeschleunigung ändert sich. Die Doppelsterne in der Studie können einen Abstand zwischen 200 AE und 30,000 AE haben – wobei 1 AE der Abstand von der Erde zur Sonne ist.

Die gemessene Erdbeschleunigung ist außergewöhnlich gering. Bei Abständen von weniger als 1000 AE beträgt die Gravitationsbeschleunigung mehr als 10 nm/s² und es wird beobachtet, dass die Schwerkraft so wirkt, wie es die Newtonsche Physik vorhersagt. Allerdings bei Abständen von mehr als 2000 AE, wo die Gravitationsbeschleunigung in der Größenordnung von 1 nm/s liegt²Chae sagt, dass seine Analyse Diskrepanzen in der Beschleunigung aufdeckt, deren Wert größer ist als das, was die Modelle von Newton und Einstein vorhersagen. Bei mehr als 5000 AE, wo die Gravitationsbeschleunigung weniger als 0.1 nm/s beträgt², der Unterschied ist deutlich zu erkennen.

Darüber hinaus sagt Chae, dass, wenn man den externen Feldeffekt berücksichtigt – ein integraler Bestandteil von MOND, der beschreibt, wie ein viel größeres Gravitationsfeld, in diesem Fall das der Milchstraße als Ganzes, ein kleineres Gravitationssystem wie z ein Doppelstern – die Gravitationsbeschleunigung bei großen Abständen wird um den Faktor 1.4 erhöht. Dies deckt sich mit einer Vorhersage eines spezifischen MOND-Modells namens AQUAL, das von Milgrom und dem verstorbenen Physiker Jacob Bekenstein von der Hebräischen Universität Jerusalem entwickelt wurde.

„Es ist wirklich bemerkenswert, dass der Boost-Faktor unter Berücksichtigung des externen Feldeffekts etwa 1.4 beträgt“, sagt Chae. „Für mich kann das kein Zufall sein.“

Gemischte Reaktionen

Die Reaktionen auf Chaes Ergebnisse waren gemischt. Stacy McGaugh von der Case Western Reserve University in den USA, einer der weltweit führenden Befürworter von MOND, erzählt Physik-Welt seiner Meinung nach: „Wir sollten uns über die Möglichkeit freuen, dass Doppelsterne einen neuen und möglicherweise entscheidenden Test darstellen.“ Chae zeigt ein sehr sauberes Ergebnis, das formal von großer Bedeutung ist, also sollten wir es ernst nehmen.“

Dennoch mahnt McGaugh auch zur Vorsicht, so schnell Schlussfolgerungen zu ziehen, und verweist auf andere Forscher, die ähnliche Messungen wie die von Chae durchgeführt, aber keine Beweise für MOND gefunden haben. Eines davon ist Indranil Banik von der britischen University of St Andrews, der Anfang des Jahres ein Team leitete, das weite Binärdateien von Gaia DR3 auf der Suche nach dem Einfluss von MOND analysierte, aber keine Beweise dafür fand.

„Ich bin mit den Ergebnissen von Chae überhaupt nicht einverstanden“, sagte Banik Physik-Welt.

Datenanalyse

Baniks Einwände hängen mit der Art und Weise zusammen, wie Chae die Daten analysiert hat, und mit dem Fehlen einer strikten Grenze für die Unsicherheit der Relativgeschwindigkeit der Sterne in einem Doppelsternsystem. Insbesondere sagt Banik, dass er in seiner eigenen Arbeit Unsicherheiten bei der Messung der Geschwindigkeiten der Sterne quantifiziert und nur Doppelsysteme berücksichtigt habe, bei denen diese Geschwindigkeiten genau bekannt seien. „Das Versäumnis, dies zu tun, ist das Hauptproblem bei dem, was Chae getan hat“, sagt Banik. „Ich fürchte daher, dass es in lokalen Binärdateien kein MOND-Signal gibt.“

Galaxienrotationsstudie schließt modifizierte Gravitation aus, oder doch?

Eine Bestätigung auf die eine oder andere Weise könnte möglicherweise durch Folgearbeiten mit anderen Instrumenten erfolgen. Während Gaia DR3 Daten von höchster Qualität für eine statistische Analyse vieler Tausend Binärsysteme liefert, könnten große Observatorien einzelne Binärsysteme weiterverfolgen, ihre Sichtliniengeschwindigkeiten messen und Tiefenbilder aufnehmen, um ihre Trennung zu bestätigen.

Chae seinerseits lässt sich von der Kritik nicht beeindrucken und glaubt, dass die Tage der dunklen Materie gezählt sind.

„Die Beweise sind bereits schlüssig“, argumentiert er. „Es besteht kein Bedarf mehr für große Mengen dunkler Materie.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/binary-star-study-favours-modified-gravity-over-dark-matter/