Monday, 25. July 2016
14.04.2011
 
 

Lebenszonen in Dunkler Materie und das Rätsel der Gravitation

Andreas von Rétyi

Kürzlich berichteten Astronomen über die Möglichkeit von bewohnbaren Welten um weiße Zwergsterne. Und es könnte vielleicht noch ungewöhnlichere Lebensräume geben. Jetzt haben Wissenschaftler die Idee geäußert, dass Leben sogar auf Planeten existieren könnte, die in mysteriöse Dunkle Materie eingebettet sind. Doch bis heute weiß niemand, woraus diese Materie wirklich besteht – wenn sie denn überhaupt existiert. Vielleicht sind auch die Gesetze der Schwerkraft einfach noch gar nicht wirklich verstanden, geschweige denn deren Natur.

In einer Vorab-Veröffentlichung berichten die beiden Physiker Dan Hooper und Jason Steffen nunmehr über die Möglichkeit, dass massereiche Planeten in Wolken aus der bis heute mysteriösen Dunklen Materie (DM) genügend ihrer exotischen Teilchen ansaugen könnten, um energieliefernde Prozesse in Gang zu setzen und für flüssiges Wasser auf solchen Welten zu sorgen. Spontane Annihilation der DM-Partikel wäre der entscheidende Motor dabei. Dann könnten auf den Oberflächen solcher Welten trotz der sie umgebenden Dunkelheit vielleicht sogar Lebensprozesse in Gang kommen, so meinen die Forscher.

Allerdings kennt bis heute niemand die Eigenschaften der Dunklen Materie, einige Fachleute zweifeln deren Existenz sogar völlig an, obwohl beispielsweise auch Gravitationslinsenphänomene sehr deutlich auf große, nicht leuchtende Massenanteile von Galaxienhaufen hinweisen. Die Modifizierte Newtonsche Dynamik (kurz MOND) des Physikers Mordehai Milgrom kommt dennoch ohne die eigenartige düstere Materieform aus und kann auch andere Beobachtungen erklären, wie beispielsweise die lange Zeit völlig rätselhafte Pioneer-Anomalie – eine unerwartete Ablenkung zur Sonne, wie sie die beiden fernen Raumsonden Pioneer 10 und 11 erfahren. Die neue Theorie legte nahe, dass die Gravitationskraft mit dem Abstand zunächst wie von Newton beschrieben quadratisch abnimmt, dann aber gegenüber dem bislang erwarteten Verlauf eine Zunahme erfährt. Die Gravitation könnte noch unbekannte Rätsel zu bergen, die Newton und Einstein nicht völlig lüften konnten.

Allerdings gibt es für die Pioneer-Anomalie mittlerweile eine größere Zahl an mehr oder minder wahrscheinlichen Erklärungen. Jetzt hat eine portugiesische Physikergruppe die thermischen Verhältnisse der Pioneer-Sonden noch einmal genau unter die Lupe genommen und will die Anomalie endgültig geklärt haben. Frederico Francesco vom Instituto Superior Técnico in Lissabon hat zusammen mit seinen Kollegen eine Simulation der nicht gleichförmig verteilten Wärmeabstrahlung der Sonden durchgeführt und macht insbesondere deren große Parabolantennen für eine Abbremsung der Pioneers verantwortlich. Schon 2002 hatte man beim NASA-Laboratorium für Strahlantriebe (Jet Propulsion Laboratory, Pasadena), das für die unbemannte US-Raumfahrt zuständig ist, grundsätzlich den gleichen Effekt im Verdacht, konnte aber nur rund sechs Prozent davon erklären. 2008 befasste sich das Pioneer Anomaly Project wiederum mit dieser Frage und steigerte den Anteil auf 30 Prozent. Nun will man es endlich ganz geschafft und die komplette Abweichung erfasst haben. Allerdings müssen diese Ergebnisse jetzt noch von unabhängiger Seite geprüft werden. Sie würden die Physik vielleicht eines lästigen Problems entheben. Immerhin galt die Pioneer-Anomalie teils bereits als hartnäckiges echtes Rätsel der Wissenschaft. Bei Sonden, die sich in geringerer Sonnendistanz befinden, lässt sich der Effekt nicht messen, da sich hier der variable Strahlungsdruck der Sonne überlagernd auswirkt und die Anomalie gleichsam »übertüncht«.

Interessant ist aber nach wie vor, dass die MOND des Physikers Mordehai Milgrom den Effekt auch von der Größenordnung her erklären kann, obwohl die Beschreibung noch nicht durch echte physikalische Gesetze untermauert wird. MOND selbst ist eine Theorie, die nur für geringe Gravitationsbeschleunigungen wirksam ist. Hier macht sich dann eine winzige und noch hypothetische Naturkonstante bemerkbar, die unter gewöhnlicheren Bedingungen nicht in Erscheinung tritt.

Die Milgrom-Theorie ist in der Lage, die merkwürdig »flachen« Rotationskurven von Galaxien zu erklären. Normalerweise würde man annehmen, dass die Geschwindigkeit von Sternen um ihr jeweiliges galaktisches Zentrum mit zunehmender Distanz deutlich sinkt, so wie beispielsweise auch die Bahngeschwindigkeiten der Planeten im Sonnensystem von innen nach außen merklich abnehmen. Bei Galaxien sieht das aber ganz anders aus. Hier bleiben die Sterne auch weiter draußen noch ziemlich temporeich. Trägt man die Geschwindigkeit gegen die Distanz auf, gibt das also einen flachen Verlauf der Kurve. Zumindest ab einem gewissen Zentralabstand hält sie sich fast auf einer geraden Linie, während weiter innen der Verlauf den eigentlichen Erwartungen entspricht. Daher gingen Astronomen davon aus, dass in den Außenbereichen schwebende unsichtbare Materie, die Dunkle Materie eben, sämtliche Sterne »auf Trab« hält. Auf diese unsichtbare Materie gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Hinweise.

Mordehai Milgrom allerdings kommt in seiner Theorie eben scheinbar auch ohne aus. In der von ihm postulierten neuen, aber bislang unbewiesenen Form des Gravitationsgesetzes hängt die Geschwindigkeit eines umlaufenden Sterns bei niedrigen Beschleunigungen nicht mehr von seiner Distanz zum Zentrum ab, sondern ausschließlich von der Galaxienmasse, der Gravitationskonstanten und von a0, der neu eingeführten Beschleunigungskonstanten Milgroms.

Die Existenz Dunkler Materie wird von etlichen Forschern trotz vieler zusätzlicher Hinweise weiter angezweifelt. Vor allem, als europäische Physiker dann eine seltsame Korrelation zwischen leuchtender und nicht leuchtender Materie feststellten, wuchsen die Zweifel. Die Forscher setzten die Grenzfläche, wie sie das sphärische Volumen der »normalen« Rotationszone einer Galaxie umschließt, in Bezug zur Gesamtmasse der sichtbaren Materie und stießen dabei immer auf einen konstanten Wert. Dieses Ergebnis kam völlig überraschend. Es sieht aus, als »wüsste« die Dunkle Materie, wie ihr sichtbarer Gegenpart in der Galaxie verteilt ist. Die mysteriöse Materie selbst wird ohnehin erst außerhalb der Grenzfläche erforderlich, sobald die Geschwindigkeitswerte alle Erwartungen übersteigen.

Wenn man aber die Dunkle Materie weglässt, dann muss für dieses Phänomen ein anderer Mechanismus verantwortlich sein. Daher haben Astrophysiker sich nunmehr auch der Milgrom-Interpretation erinnert, die zunächst ohne die düstere Komponente auskommt und die Effekte gut vorhersagt. Doch auch die MOND scheint nicht alle Beobachtungen erklären zu können, darunter auch nicht die Wirkung von Gravitationslinsen, bei denen ebenfalls unsichtbare Materie zu starken optischen Verzerrungen sehr ferner Himmelsobjekte führt. Dieses Phänomen versucht man derzeit wiederum mit der so genannten Tensor-Vektor-Skalar-Gravitation in den Griff zu bekommen, einer MOND-Variante und Alternative zur allgemeinen Relativitätstheorie. Die TeVeS wurde 2004 vom Astrophysiker Jacob Bekenstein in die Diskussion gebracht, hinzu kamen die noch aussichtsreichere Modified Gravity (MOD) und ein weiteres Konzept. Insgesamt scheint es aber dennoch nicht ganz ohne die DM zu gehen – was jetzt, nebenbei bemerkt, wiederum ein wenig an die Finanzkrise erinnert.

Auch wenn Milgroms Ansatz in die richtige Richtung weist, er kann nicht alles erklären. Die Dunkle Materie bleibt jedoch bis heute wahrlich obskur und vielfach mysteriös. Sie könnte aus allem Möglichen bestehen – von exotischen Teilchen bis zu ausgebrannten Sternen. Wegen all dieser Unwägbarkeiten dürften auch jene von Hooper und Steffen geäußerten Gedanken zu lebenstragenden Planeten innerhalb dieser finsteren Materieform derzeit kaum zu belegen sein. Solche Erwägungen zeigen aber, dass auch Wissenschaftler immer wieder kräftig spekulieren. Letztlich ist Spekulation die Zündspule unserer Kreativität. Der Prozess der Wahrheitsfindung engt den Sehstrahl anschließend zwangsläufig ein, um sich im vermeintlichen Endergebnis zu fokussieren.

Immer wieder ist aber auch eine gehörige Portion Offenheit dafür erforderlich, sich von Althergebrachtem zu trennen und zu erkennen, dass Konvention meist nur temporär gültig ist und Wissenschaft bei allem Fortschritt letztlich immer Modellcharakter trägt, als schier unendlicher, dynamischer Prozess der Erkenntnis.

Die vielen unterschiedlichen Ansätze zeigen, wie wenig der Mensch offenbar noch wirklich von der Natur und ihren Geheimnissen versteht. Ein Wunder, wie weit er überhaupt Einblicke in sie nehmen konnte. Doch stehen wir immer noch am Anfang.

 

 


 

 

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