Schwerkraft und dunkle Materie, eine Verbindung über Entfernungen hinweg
28/06/23 12:12
Isaac Newton formulierte seine Gravitationstheorie als ein Modell der Fernwirkung: Ein Himmelskörper spürt sofort den Einfluss eines anderen, unabhängig von ihrer Entfernung zueinander. Diese Idee war eine treibende Kraft für Albert Einstein bei der Entwicklung seiner berühmten Allgemeinen Relativitätstheorie, in der Gravitation als lokale Verbiegung der Raumzeit interpretiert wird.
Das Prinzip der Lokalität besagt, dass ein Objekt nur von seiner unmittelbaren Umgebung beeinflusst wird und ferne Objekte keine sofortige Kommunikation miteinander haben können. Es ist nur das Hier und Jetzt, was zählt.
Im Verlauf des letzten Jahrhunderts haben Physiker mit der Entwicklung der Quantenmechanik entdeckt, dass nicht-lokale Phänomene nicht nur existieren, sondern auch essentiell sind, um die Grundlagen der Realität zu verstehen. Eine kürzlich im Astrophysical Journal veröffentlichte Studie der SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati - deutet darauf hin, dass Dunkle Materie, eine der geheimnisvollsten Komponenten des Universums, auf eine nicht-lokale Weise mit der Gravitation in Wechselwirkung tritt.
Die Autoren der Studie, Doktoranden Francesco Benetti und Giovanni Gandolfi sowie ihr Betreuer Andrea Lapi, sehen in dieser Entdeckung eine mögliche neue Perspektive auf die bisher rätselhafte Natur der Dunklen Materie.
Dunkle Materie ist eine fundamentale Komponente des Universums und verantwortlich für die Entstehung der Strukturen, die wir beobachten können. Sie umgibt leuchtende Materie in Galaxien und beeinflusst die Bewegungen der Sterne, die wir am Nachthimmel sehen. Dennoch bleibt die Natur der Dunklen Materie und insbesondere ihre Wechselwirkung mit der Gravitation in kleineren Galaxien nach wie vor unklar.
"Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat in den letzten Jahrzehnten intensiv daran gearbeitet, diese geheimnisvollen Phänomene zu verstehen, aber viele Fragen sind immer noch unbeantwortet. Um die Natur der Dunklen Materie und ihre Interaktion mit der Gravitation zu erforschen, könnte ein neuer Ansatz notwendig sein", erklären die Autoren der Studie. Genau diesen spannenden Ansatz hat die neue Forschung der SISSA verfolgt.
In ihrer Studie präsentieren die Autoren ein neues Modell für die nicht-lokale Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie in einer Galaxie und der Gravitation. Sie beschreiben es als eine Art Kommunikation zwischen der gesamten Materie in einer Galaxie und der Dunklen Materie, bei der letztere der ersteren Anweisungen gibt, wie sie sich bewegen soll.
Um diese nicht-lokale Wechselwirkung zu beschreiben, nutzen die Forscher den Bruchteilskalkül, ein mathematisches Werkzeug aus dem 17. Jahrhundert, das in letzter Zeit in verschiedenen Bereichen der Physik Anwendung gefunden hat. In der Astrophysik wurde die Leistungsfähigkeit dieses Werkzeugs bisher noch nicht erprobt.
Die Forscher haben herausgefunden, dass ihr neues Modell experimentelle Ergebnisse von Tausenden verschiedener Galaxien genauer beschreiben kann als die Standardtheorie der Gravitation. Diese nicht-lokale Wechselwirkung tritt offenbar als kollektives Verhalten der Dunklen Materie-Teilchen innerhalb eines begrenzten Systems auf und ist besonders in kleineren Galaxien relevant.
Obwohl dies ein vielversprechender Schritt in Richtung eines tieferen Verständnisses der Dunklen Materie ist, betonen die Autoren, dass viele Fragen noch unbeantwortet sind. Wie genau entsteht diese nicht-lokale Wechselwirkung? Welche Auswirkungen hat sie auf größere Strukturen wie Galaxienhaufen oder das Phänomen der Gravitationslinsen, mit denen entfernte Himmelsobjekte beobachtet werden können?
Die Integration dieses neuen Mechanismus in das Standardmodell der Kosmologie wird ebenfalls eine Herausforderung darstellen. Die Autoren schließen ihre Studie mit dem Ausblick, dass weitere Forschungen notwendig sind, um all diese Auswirkungen zu erforschen und möglicherweise andere offene Fragen im Universum mithilfe dieser neu vorgeschlagenen nicht-lokalen Wechselwirkung zu klären.
Durch Fortschritte im Verständnis der Dunklen Materie können wir einen bedeutenden Schritt hin zu einem tieferen Wissen über unser Universum machen. Die laufende Forschung liefert weiterhin neue Perspektiven und bringt uns näher an ein umfassendes Verständnis der Phänomene heran, die uns umgeben.
