Ein Vergleich der beobachteten Rotationsgeschwindigkeiten in km / s (schwarze Punkte) mit den Vorhersagen von MoND (gepunktet) und MiHsC (gestrichelt) für Galaxien und Galaxienhaufen mit zunehmender baryonischer Masse (in Sonnenmassen). Bildnachweis: ME McCulloch

(Phys.org) - Eine der ersten Beobachtungen, die auf die Existenz einer unsichtbaren dunklen Materie hindeuteten, kam 1933, als der Astronom Fritz Zwicky bemerkte, dass Galaxienhaufen energetischer waren, als sie sein sollten, je nach der Masse der sichtbaren Sterne in ihnen und er schlug dunkle Materie vor, um die Diskrepanz zu erklären. Spätere Beobachtungen von Galaxien (unter anderem von Rubin & Ford) zeigten, dass sich die Galaxienkanten so schnell wie die Innenseiten der Galaxien drehten, obwohl die Beschleunigung mit dem Radius abnehmen soll.

Während dunkle Materie immer noch die populärste Erklärung für dieses und andere Probleme ist, wurden auch viele alternative Erklärungen vorgeschlagen. Kürzlich hat Michael McCulloch von der Plymouth University in Großbritannien, der sich auf Geomatik (die Mathematik der Positionierung im Weltraum) spezialisiert hat, vorgeschlagen, dass ein neues Modell, das die Trägheitsmasse einer Galaxie modifiziert, die schneller als erwartete Rotation bei einer Galaxie erklären könnte Außenkanten, obwohl dieses Modell Einsteins berühmtes Äquivalenzprinzip verletzt.

McCullochs Artikel über das Modell der modifizierten Trägheitsmasse wurde in Astrophysics and Space Science veröffentlicht und ist auch auf arXiv.org zu finden.

Zwei Arten von Massen

Im Allgemeinen gibt es zwei Möglichkeiten, die Masse eines Objekts zu berechnen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Schwerkraft auf ein Objekt unbekannter Masse mit der Schwerkraft auf ein Objekt zu vergleichen, dessen Masse bekannt ist. Diese Methode, auf der die Personenwaage basiert, gibt die Gravitationsmasse eines Objekts an. Bei der zweiten Methode, die die Trägheitsmasse angibt, wird eine bekannte Kraft auf ein Objekt mit unbekannter Masse ausgeübt, die resultierende Beschleunigung gemessen und die Masse mit dem Newtonschen zweiten Gesetz (m = F / a) berechnet.

1907 schlug Einstein vor, dass Gravitationsmasse und Trägheitsmasse immer gleich sind, was als Äquivalenzprinzip bekannt ist und als grundlegendes Konzept der allgemeinen Relativitätstheorie dient. Obwohl Tests des Äquivalenzprinzips bestätigt haben, dass Einstein auf viele Dezimalstellen genau ist, waren einige Wissenschaftler bereit, das Äquivalenzprinzip zu verletzen, um das Problem der galaktischen Rotation zu erklären, ohne die Dunkle Energie aufzurufen.

Eine solche Erklärung kam 1983, als der Physiker Mordehai Milgrom eine Theorie namens Modified Newtonian Dynamics (MoND) vorschlug, die entweder die Gravitationskonstante geringfügig modifizieren oder Newstons zweites (Trägheits-) Gesetz bei sehr geringen Gravitationsbeschleunigungen geringfügig modifizieren kann. Laut MoND ist die Geschwindigkeit von Sternen in einer kreisförmigen Umlaufbahn weit vom Zentrum einer Galaxie entfernt eine Konstante und hängt nicht von der Entfernung vom Zentrum ab. Damit MOND jedoch funktioniert, muss ein einstellbarer Parameter festgelegt werden.

Im Jahr 2007 schlug McCulloch ein Modell vor, um die Ebenheit der galaktischen Rotation zu erklären, die der zweiten (Trägheits-) Version von MoND ähnelt, indem auch Modifikationen der Trägheitsmasse eines Objekts bei kleinen Beschleunigungen vorgeschlagen werden, die vom zweiten Newtonschen Gesetz abweichen. Im Gegensatz zu MOND benötigt dieses neue Modell keinen einstellbaren Parameter. Beide Modelle verletzen jedoch das Äquivalenzprinzip, wenn Massen sehr kleine Beschleunigungen aufweisen - und an den Rändern von Galaxien ist die Gravitationsbeschleunigung im Vergleich zu der auf der Erde äußerst gering.

"Die Beschleunigungen, mit denen wir auf der Erde vertraut sind, liegen bei 9, 8 m / s 2 ", sagte McCulloch gegenüber Phys.org . "An den Rändern von Galaxien liegt die Beschleunigung nur in der Größenordnung von 10 -10 m / s 2. Bei dieser winzigen Beschleunigung bräuchte man 317 Jahre, um von der Ruhe auf eine Geschwindigkeit von 1 m / s oder von 0 auf zu kommen 60 Meilen pro Stunde in 8500 Jahren! Oder, wie Milgrom einmal schrieb, die Lebenszeit des Universums, um sich der Lichtgeschwindigkeit anzunähern. "

Masse beschleunigender Objekte

In der neuen Studie erweitert McCulloch sein Modell, Modification of Inertia, das aus einem Hubble-Casimir-Effekt (MiHsC) resultiert, oder Quantized Inertia. Dieses Modell schlägt vor, dass die genaue Berechnung der Trägheitsmasse eines Objekts die Berücksichtigung der Emission von Photonen oder Unruh-Strahlung beinhaltet, die als Ergebnis der Beschleunigung des Objekts in Bezug auf die umgebende Materie auftritt. Die Existenz von Unruh-Strahlung ist umstritten, da unklar ist, ob sie beobachtet wurde.

Im MiHsC-Modell werden die Wellenlängen der Unruh-Strahlung durch einen Hubble-Casimir-Effekt eingeschränkt, der als Vakuumenergie angesehen werden kann, die von virtuellen Partikeln ausgeht. Wenn die Beschleunigung eines Objekts abnimmt, verlängern sich die Unruh-Wellenlängen auf die Hubble-Skala, und mehr von ihnen sind nicht zulässig. Da angenommen wird, dass diese Strahlung in MiHsC zur Trägheitsmasse beiträgt, führt eine Abnahme der Beschleunigung zu weniger Unruh-Wellen und einer allmählichen Abnahme der Trägheitsmasse des Objekts. Mit einer kleineren Trägheitsmasse kann ein Stern innerhalb einer Galaxie durch die gleiche Gravitationskraft leichter in eine begrenzte Umlaufbahn beschleunigt werden.

"Es gibt zwei Arten von Massen: Gravitationsmasse (GM, gemessen durch die von der Galaxie erzeugte Gravitationskraft) und Trägheitsmasse (IM, gemessen durch die Leichtigkeit der Reaktion eines Sterns auf eine Kraft)", sagte McCulloch. "Diese werden normalerweise als gleich angenommen. Der Punkt ist, dass Sie entweder (1) den GM der Galaxie erhöhen können, um ihre Sterne mit mehr Kraft (dunkle Materie) festzuhalten, oder (2) den IM der Sterne verringern können so dass sie auch durch die geringe vorhandene Schwerkraft aus der sichtbaren Masse leichter in eine begrenzte Umlaufbahn gebogen werden können.

Unter der Annahme, dass die Trägheit einer Galaxie auf Unruh-Strahlung zurückzuführen ist, die einem Hubble-Casimir-Effekt unterliegt, leitete McCulloch eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der sichtbaren Masse einer Galaxie oder eines Galaxienhaufens ab (eine Tully-Fisher-Beziehung). Mit Hilfe der Masse aus baryonischer (sichtbarer) Materie konnte er die Rotationsgeschwindigkeit von Zwerggalaxien, Spiralgalaxien und Galaxienhaufen vorhersagen. Obwohl die Vorhersagen die beobachteten Geschwindigkeiten um ein Drittel bis die Hälfte überschätzen, liegen sie immer noch innerhalb der Fehlerbalken. (Die Unsicherheit ergibt sich aus der Unsicherheit der Hubble-Konstante und des Verhältnisses von Sternmasse zu Licht, was sich auf die auf der Beobachtung basierenden Massenschätzungen auswirkt.)

"MiHsC sagt voraus, dass mit abnehmender Beschleunigung eines Objekts die Unruh-Wellen, die es sieht, im Vergleich zur Hubble-Skala groß werden, so dass sie nicht mehr zu erkennen sind und ein größerer Teil von ihnen nicht mehr zugelassen wird", erklärte McCulloch. "Diese Art des Denkens" Wenn Sie es nicht direkt beobachten können, dann vergessen Sie es "mag seltsam erscheinen, aber es hat eine bemerkenswerte Geschichte. Es wurde von Berkeley und Mach diskutiert und von Einstein verwendet, um Newtons Konzept zu diskreditieren Zurück zu MiHsC: Bei dieser geringen Beschleunigung können Sterne die Unruh-Wellen nicht sehen, verlieren sehr schnell ihre Trägheitsmasse, und dies erleichtert es einer vorhandenen externen Kraft, sie wieder zu beschleunigen Ihre Beschleunigung nimmt zu, sie sehen mehr unruhige Wellen, gewinnen an Trägheit und verlangsamen sich. Es wird ein Gleichgewicht um eine minimale Beschleunigung erreicht, die der kürzlich beobachteten kosmischen Beschleunigung nahe kommt, und MiHsC sagt die Galaxienrotation innerhalb der Unsicherheit ohne einstellbare Parameter voraus. "

Obwohl MiHsC und MoND, wie oben erwähnt, ähnlich sind und beide die beobachteten Geschwindigkeiten innerhalb von Fehlerbalken vorhersagen, verwendet MiHsC keine einstellbaren Parameter, während MoND einen ungeklärten einstellbaren Beschleunigungsparameter benötigt, um die Daten anzupassen.

Vorhersagen testen

Ob sich MiHsC als wahr herausstellt oder nicht, bleibt abzuwarten. Wie oben erwähnt, verstößt das Modell gegen Einsteins Äquivalenzprinzip. Obwohl das Äquivalenzprinzip gut getestet wurde, konnte dieser spezielle Verstoß bei diesen Tests nicht festgestellt werden.

"Bei den normalen Beschleunigungen, die wir auf der Erde sehen (9, 8 m / s 2 ), ist die Meinungsverschiedenheit zwischen MiHsC und Äquivalenz winzig. Sie wird erst bei Beschleunigungen von nur 10 -10 m / s 2 wichtig", sagte McCulloch. Torsionsausgleichsexperimente haben das Äquivalenzprinzip bis hinunter zu Beschleunigungen von 10 –15 m / s 2 getestet, aber sie können die Wirkungen von MiHsC nicht zeigen. Dies liegt daran, dass diese Experimente genauere Versionen von Galileos Experiment sind, bei denen er zwei Objekte unterschiedlicher Art fallen ließ Wenn das Äquivalenzprinzip richtig ist, sollte das schwerere Objekt (aufgrund seiner größeren Gravitationsmasse, GM) mehr von der Erde nach unten (gravitativ) angezogen werden Da die Trägheitsmasse (IM) größer ist, sollten die beiden Objekte zusammenfallen. Die von MiHsC aufgrund des Unterschieds zwischen GM und IM vorhergesagte anomale Beschleunigung ist unabhängig von der Masse der Objekte, sodass die beiden Objekte immer noch zusammenfallen würden, obwohl beide zusammenfallen würden sinkt etwas schneller als erwartet. Daher kann MiHsC in solchen Experimenten nicht nachgewiesen werden. "

MiHsC macht auch eine überprüfbare Vorhersage, wonach die Beschleunigungen am Rand einer Galaxie über einem bestimmten Wert bleiben sollten, um die traditionelle Abnahme der Beschleunigung mit dem Radius auszugleichen. McCulloch hofft, dass zukünftige Beobachtungen das MiHsC-Modell unterstützen werden.

"Ich versuche, einen eindeutigen Test zu entwickeln", sagte er. "Das Problem mit astronomischen Daten ist, dass es oft mehr als eine Erklärung für eine Beobachtung geben kann, so dass es schwierig ist, die Dinge schlüssig zu beweisen. Der beste Beweis wäre ein Laborexperiment, bei dem man die Bedingungen kontrollieren und die Ursachen isolieren kann. Ein mögliches Experiment Es wäre, ein Objekt zu kühlen, um 5K zu sagen, während es gewogen wird. Möglicherweise sind auch Tests mit Raumfahrzeugen möglich.