SATELLITENGALAXIEN
Neue Studien widersprechen Newton
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bonn 
astronews.com
6. Mai 2009

Dunkle Materie gehört inzwischen zum Standardrepertoire eines jeden Astronomen, obwohl diese mysteriöse Materie noch nie direkt nachgewiesen wurde. Ist es also möglich, dass es zur Erklärung der verschiedenen Beobachtungen gar keiner Dunklen Materie bedarf, sondern vielmehr einer neuen Gravitationstheorie? Ein internationales Astronomenteam glaubt nun, neue Hinweise dafür gefunden zu haben.

Gilt für Galaxien Newtons Gravitationstheorie nicht? Bild: STScI / NASA

Muss Newtons Gravitationstheorie abgeändert werden, weil sie zur Erklärung mancher Beobachtungen nicht taugt? Diese auf den ersten Blick ketzerische Frage stellen Bonner Astronomen in einer jetzt verbreiteten Pressemitteilung. Anlass sind zwei neue Studien über so genannten Satellitengalaxien in der Peripherie der Milchstraße, die jetzt von Physikern der Universität Bonn und Kollegen aus Österreich und Australien veröffentlicht wurde. Die Ergebnisse könnten nach Ansicht der Wissenschaftler das Theorie-Gebäude der Standardphysik ins Wanken bringen.

Kosmologen erklären sich heute viele ansonsten unerklärliche Beobachtungen mit Hilfe der mysteriösen Dunklen Materie. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde sehr viel Aufwand in diesem Forschungsgebiet betrieben. Dennoch wurde bislang nicht direkt nachgewiesen, dass es diese rätselhafte Substanz überhaupt gibt. Und selbst wenn es sie gäbe, würde das längst nicht alle Abweichungen oder Widersprüche zwischen den Messungen und den theoretischen Vorhersagen beseitigen.

So ist es nicht verwunderlich, dass manche Physiker der Dunklen Materie immer noch kritisch gegenüberstehen - und es werden offenbar mehr. Um Dunkle Materie zur Erklärung mancher Beobachtungsergebnisse zu vermeiden, entwickelten Wissenschaftler bereits konkurrierende Gravitationstheorien, die ohne dieses Konstrukt auskommen. Ihr Problem ist lediglich, dass sie in Konflikt mit der Newtonschen Gravitationstheorie stehen. "Möglicherweise lag Newton aber tatsächlich falsch", meint Dr. Pavel Kroupa, Professor am Argelander-Institut für Astronomie (AIfA) der Universität Bonn. "Seine Theorie beschreibt zwar die Alltagseffekte der Schwerkraft auf der Erde, die wir sehen und messen können. Die tatsächliche Physik hinter der Gravitation kennen wir aber vielleicht noch gar nicht."

Kroupas These wird von zwei neuen Studien gestützt, die er zusammen mit seinem ehemaliger Mitarbeiter Dr. Manuel Metz sowie Kollegen aus Wien und Canberra jetzt veröffentlicht hat. Die Forscher untersuchen darin die so genannten Satellitengalaxien der Milchstraße. Darunter versteht man Zwerggalaxien mit teilweise nur ein paar tausend Sternen. Der Standardtheorie zufolge kommen sie vermutlich zu Hunderten in der Umgebung der meisten großen Galaxien vor.

Bislang wurden jedoch erst 30 derartiger Satelliten um die Milchstraße beobachtet. Man führt diese Diskrepanz oft darauf zurück, dass der Großteil der Satellitengalaxien viel zu lichtschwach ist, um gesehen zu werden. Die Physiker haben diese Sternenansammlungen in ihrer Studie nun genauer unter die Lupe genommen. Dabei sind sie auf einige erstaunliche Phänomene gestoßen: "Zunächst einmal stimmt etwas nicht mit ihrer Verteilung", ist Kroupa überzeugt: "Eigentlich sollten die Satelliten gleichmäßig um ihre jeweilige Muttergalaxie angeordnet sein. Das sind sie aber nicht."

Genauer gesagt: Die klassischen Satelliten der Milchstraße - das sind die elf hellsten Zwerggalaxien - liegen alle mehr oder weniger in derselben Ebene. Sie bilden also eine Art Scheibe. Zudem konnten die Forscher zeigen, dass die meisten von ihnen in derselben Richtung um die Milchstraße rotieren - ähnlich wie die Planeten um die Sonne. Dieser Befund lässt sich nach Ansicht der Physiker nur mit der Annahme erklären, dass die Satelliten vor langer Zeit bei der Kollision junger Galaxien entstanden sind. "Aus dem 'Schrott', der bei einem solchen Crash entsteht, können sich rotierende Zwerggalaxien bilden", erläutert Metz, der inzwischen beim Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt arbeitet.

Doch auch die Crash-Theorie hat einen Haken: Die Satelliten, die dabei entstehen, können laut Theorie keine Dunkle Materie enthalten. Das steht jedoch im Widerspruch zu einer weiteren Beobachtung: "Die Sterne in den jetzt untersuchten Satelliten bewegen sich viel schneller, als sie es nach den Berechnungen dürften. Als Ursache kommt aus klassischer Sicht eigentlich nur die Anwesenheit dunkler Materie in Frage", erklärt Metz. Oder man nimmt an, dass wesentliche Grundlagen der Physik bislang falsch verstanden wurden.

"Eine Lösung gibt es nur, wenn wir uns von der klassischen Gravitationstheorie Newtons lösen", so Kroupa. "Wahrscheinlich leben wir in einem nicht-newtonschen Universum. Wenn diese Annahme stimmt, lassen sich unsere Beobachtungen auch ohne Dunkle Materie erklären."

Solche Ansätze finden auch in einigen anderen Forschungsgruppen in Europa viel Beachtung. Es hat schon fast Tradition, die Gravitationstheorie von Newton in Extrembereichen durch andere Theorien abzulösen. In den letzten Hundert Jahren wurde das bereits dreimal notwendig: bei hohen Geschwindigkeiten (durch die Theorie der speziellen Relativität), in der Nähe großer Massen (durch die allgemeine Relativitätstheorie) und bei sehr kleinen Raumabständen (durch die Quantenmechanik).

Die aktuelle Studie unterstützt die These, dass in den Bereichen von Galaxien, in denen extrem schwache Beschleunigungen herrschen, eine "modifizierte Newtonsche Dynamik" (MOND) gilt. Diese Feststellung hat tiefgreifende Implikationen für die fundamentale Physik im Allgemeinen. "Die Resultate der Studie decken sich komplett mit dem, was man nach einer solchen Modifikation der Newtonschen Theorie erwarten würde", urteilt Bob Sanders von der Universität Groningen, einer der Väter der MOND-Theorie. "Gleichzeitig widersprechen sie diametral den Vorhersagen der Dunkle-Materie-Hypothese. Nur selten sind Beobachtungsdaten so definitiv."