In Teil 1 der Serie über die dunkle Materie haben wir gesehen, wie sie nicht entdeckt wurde. Die eigentliche Entdeckungsgeschichte war das Thema von Teil 2. Fritz Zwicky hatte im Jahr 1933 festgestellt, dass der Coma-Galaxienhaufen mehr Masse enthalten musste, als man sehen konnte. Danach war es längere Zeit ruhig um die dunkle Materie. Erst in den 1970er Jahren wurde die unsichtbare Materie zum heißen Thema in der Astronomie.

Es begann alles mit der Arbeit von Vera Rubin. Die junge Astronomin arbeitete in den 1960er Jahren an einem seltsamen und umstrittenen Thema. Sie wollte herausfinden, ob sich das Universum dreht. Dafür vermaß sie die Bewegung und Drehrichtung vieler Galaxien – wurde aber mit ihrer Arbeit fürs Erste von den meisten Wissenschaftlern ignoriert. Die Daten waren nicht allzu eindeutig (das sind sie heute immer noch) und das Thema eher etwas für Außenseiter. Und dass Vera Rubin eine Frau war, half ihr in der männerdominierten Wissenschaft der 1960er Jahre auch nicht unbedingt weiter (sie durfte teilweise nicht mal an den großen Teleskopen beobachten, weil Frauen dort wegen “fehlender Sanitäreinrichtungen” nicht zugelassen waren). Rubin wurde zwar von Größen wie George Gamow oder Gérard-Henri de Vaucouleurs unterstützt; entschied sich dann aber doch, zu einem anderen Arbeitsgebiet zu wechseln. Sie blieb den Galaxien aber trotzdem treu; nur untersuchte sie nun, wie sich die Sterne dort bewegen. Ihr erstes Beobachtungsobjekt war die Andromedagalaxie (M31), unser galaktischer Nachbar im All.

Sterne, die das Zentrum einer Galaxie umkreisen sollten sich im Prinzip so verhalten, wie Planeten, die einen Stern umkreisen. Je näher ein Planet seinem Stern ist, desto schneller bewegt er sich. Merkur, der sonnennächste Planet braucht nur 88 Tage für eine Runde. Bei der Erde sind es bekanntermaßen 365 Tage und der ferne Neptun braucht ganze 165 Jahre. Dieses Verhalten folgt direkt aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz bzw. Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Je weiter man sich von einem schweren Objekt entfernt, desto geringer ist der Einfluss seiner Gravitationskraft. In einer Galaxie sollte es eigentlich so ähnlich sein. Je weiter entfernt sich ein Stern vom Zentrum befindet, desto schwächer spürt er den Einfluss der Gravitationskraft und desto langsamer sollte er sich bewegen. Rubin probierte nun, die sogenannte “Rotationskurve” von Andromeda zu messen. Sie bestimmte die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen in unterschiedlichem Abstand zum Zentrum und erwartete, dass die Geschwindigkeit mit zunehmenden Abstand immer kleiner wird. Gemessen hat sie dann aber das hier:

Dieses berühmte Diagramm stammt aus der Arbeit “Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions” die Rubin im Jahr 1970 veröffentlichte. Die x-Achse zeigt den Abstand zum Zentrum der Galaxie (die Einheiten sind oben in Kiloparsec angegeben und unten in Bogenminuten). Und man erkennt deutlich, dass die Kurve im rechten Bereich des Diagramms nicht nach unten abfällt, wie man es erwarten würde, sondern im wesentlichen gerade verläuft.

Rubin und ihre Kollegen beobachten im Laufe der Zeit immer mehr Galaxien und überall fanden sie das selbe Verhalten: Die Sterne in den äußeren Bereichen der Galaxien bewegten sich zu schnell! Auch Beobachtungen anderer Wissenschaftler im Radiowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums zeigten diese seltsame Bewegung. Die Daten schienen zu zeigen, dass die sichtbare Materie in der Galaxie nicht alles sein konnte. Es musste auch dort noch Materie vorhanden sein, wo die leuchtende Materie längst zu Ende ist. Die Galaxien schienen in eine große Wolke aus dunkler Materie eingebettet zu sein und der gravitative Einfluss dieser dunklen Materie führte dazu, dass sich die Sterne schneller bewegten, als man erwarten würde.

“Nobody ever told us that all matter radiated. We just assumed that it did.”

sagte Vera Rubin – und hatte damit Recht. Man war bis dahin einfach davon ausgegangen, dass jede Materie auch mit Licht wechselwirkt; also entweder selbst Licht abgibt oder aber zumindest Licht reflektiert und damit sichtbar ist. Aber wer sagt, dass das so sein muss? Warum sollte es nicht auch Materie geben, die das nicht tut? Alle Beobachtungen deuteten jedenfalls darauf hin. Man hatte nun schon Daten auf zwei völlig verschiedenen Größenskalen: Einerseits die Bewegung von Galaxien in Galaxienhaufen, die Zwicky 1933 beobachtet hatte. Andererseits die Bewegung Sternen in Galaxien, die von Rubin und diversen anderen Astronomen ab den 1970er Jahren analysiert wurde. Beide zeigten, dass sich die Himmelskörper so verhielten, als gäbe es neben der normalen, sichtbaren Materie auch noch eine “dunkle Materie”, die nicht leuchtet. Beide Beobachtungen kamen unabhängig voneinander zum gleichen Ergebnis (und stimmten auch noch in der Menge der dunklen Materie überein, die vorhanden sein musste).

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Kommentare (66)

  1. #1 CM
    21. Juni 2013

    Ist es dieser Umstand – dass sich Sterne in den äußeren Bereichen der Galaxien schnell bewegen – der bewirkt, dass Spiralarme von Galaxien stabil sind und nicht mit der Zeit “verschwimmen” (in dem die inneren, die äußeren überholen)? (So etwas habe ich mal gelesen – weiß aber nicht, ob es sich dabei um eine gesicherte Erkenntnis handelt.)

    Und: Was passiert bei Galaxienkollisionen? Gibt es dort beschleunigte Sterne, aufgrund der des fehlenden / zusätzlichen lokalen Einflusses der dunklen Materie?

    Ich weiß nicht, ob ich meine Fragen fachsprachlich verständlich formuliert habe – aber es wäre schön darüber etwas zu lesen (und wenn es nur Spekulation ist).

    LG,
    Christian

  2. #2 Alderamin
    21. Juni 2013

    @CM

    Mein Stand ist, dass die Spiralarme von umlaufenden Dichtewellen gebildet werden. In Wahrheit ist es nicht so, dass außerhalb der Spiralarme weniger Sterne wären, sondern vielmehr weniger helle, junge Sterne, welche nicht sehr lange leben. Wenn eine Dichtewelle durch das Gas der Galaxie läuft und dieses lokal verdichtet, triggert dies die Sternentstehung und so leuchtet die entsprechende Zone hell auf, bis die jungen Sterne verloschen sind. Das Fortlaufen der Dichtewelle lässt eine rasensprengerartige Struktur aufleuchten, die Spiralarme.

    Falls das noch aktuell ist…

  3. #3 CM
    21. Juni 2013

    Danke. Interessant – jetzt ist die nächste Frage natürlich, ob sich die Annahmen gegenseitig ausschließen, also die nach dem Verhältnis zwischen Dichtewellengeschwindigkeit und Rotationsgeschwindigkeit der Spiralarme in Bezug auf die Lebensdauer der besangten hellen, jungen Sterne.

    (Ich merke: Kosmologie / Astronomie ist und bleibt für mich ungemein spannend – nur leider werde ich nie den Grad der Expertise erhalten, um wirklich mitreden zu können 😉 )

  4. #4 Wurgl
    21. Juni 2013

    @CM: Je größer ein Stern ist, desto heller ist er. und gleichzeitig gilt: Je größer ein Stern ist, desto kurzlebiger ist er.

    Und deshalb ergibt sich quasi automatisch: Alles was alt ist, leuchtet nicht so tolle und was ururalt ist, leuchtet noch schwächer.

  5. #5 CM
    21. Juni 2013

    Wurgl, klar, doch dieser Zusammenhang besteht unabhängig von der Entfernung eines Sterns zum galaktischen Zentrum und seiner Geschwindigkeit.
    Letztlich habe ich Aldemarin falsch verstanden: Wenn sämtliche baryonische Materie Teil der Dichtewelle ist, löst sich der Widerspruch (den ich irrtümlich annahm) auf.

  6. #6 Swage
    Germany
    21. Juni 2013

    Jetzt mal eine vermutlich ziemlich bescheuerte Frage: was, wenn die entscheidende Beschleunigung der Ränder der Galaxis kein externe, sondern eine interne Ursache haben?

    So ein Galaxiekern rotiert, wie alle Körper die konstant von Materie behagelt werden. Sehr große Körper rotieren demnach vermutlich sehr schell, in dem Fall vermutlich so schnell wie eben physikalisch möglich.

    Kann es sein das sich die Gravitation, bei einer entsprechend großen Rotationsgeschwindigkeit (C), und die Fliehkraft aufheben, bzw. die Fliehkraft die Gravitation übertrifft, bzw. spielt sich eine Art von “Balance” oder Oszillation ein, die sich z.B. dadurch äußert obe ein Galaxiekern aktiv (Quasar) oder inaktiv ist?

    Und wenn ja, wie wirkt sich das auf das Raum-Zeit-Kontinuum aus, sprich da Masse Raum (und Zeit) krümmt (generelle Relativitätsteorie), oszilliert das zwangsläufig entstehende Warpfeld mit? Könnte das eine Erklärung für die veränderliche Hubble “Konstante” sein?

  7. #7 Florian Freistetter
    21. Juni 2013

    @Swage: “Kann es sein das sich die Gravitation, bei einer entsprechend großen Rotationsgeschwindigkeit (C), und die Fliehkraft aufheben, bzw. die Fliehkraft die Gravitation übertrifft, bzw. spielt sich eine Art von “Balance” oder Oszillation ein, die sich z.B. dadurch äußert obe ein Galaxiekern aktiv (Quasar) oder inaktiv ist?”

    Das verstehe ich nicht. Was genau meinst du? Eine Galaxie ist ja kein massives Objekt. Und welchen Einfluss soll die Aktivität im Kern auf die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne an der Peripherie haben? Vielleicht kannst du das nochmal anders erklären; dann verstehe ich vielleicht, um was es genau geht…

  8. #8 Alderamin
    21. Juni 2013

    @CM

    Hab’ Dich nicht so ganz verstanden aber:

    Wenn sämtliche baryonische Materie Teil der Dichtewelle ist, löst sich der Widerspruch (den ich irrtümlich annahm) auf.

    Nur das baryonische Gas in der Galaxie transportiert die Dichtewelle, es müssen dafür ja Teilchen aneinanderstoßen. Sterne sind nicht betroffen, DM auch nicht. Aber da, wo das Gas durch die Welle komprimiert wird, fällt es unter seiner eigenen Gravitation zusammen und bildet Sterne, darunter auch helle, kurzlebige, die die Sternentstehung am Ende durch ihre Explosion und das Auseinanderblasen des Gases wieder unterbrechen. Die Welle zieht derweil weiter.

    Laut Wikipedia weiß man allerdings nicht, was die Ursache für die Wellen sein könnte.

  9. #9 Swage
    Germany
    21. Juni 2013

    Nun, eine Akkreditionscheibe ist kein massives Objekt, aber ein Galaxiekern. Ein derartiges Objekt verfügt über Anziehungskraft. Allerdings, rotiert es vermutlich auch sehr, sehr schnell (durch den transfer von Kinetischer Energie von absorbierter Materie). Bei dieser Rotation tritt zwangsläufig Zentrifugalkraft auf, die sich wiederum auf den Galaxiekern selbst auswirkt; sie wirkt der Gravitation entgegen. Daher frage ich mich, ob, abhängig von der Masse des Kerns und der Rotationsgeschwindigkeit, eine Art “Oszillation” der gegenläufigen Kräfte einspielt. Man sollte erwarten das diese Kräfte am Äquator des SMBH Auswirkungen zeigen, also in einem 45 Grad Winkel zu den Polen, wie man an aktiven Quasaren unschwer erkennen kann… und dort befindet sich die Akkreditionscheibe. Könnte es sein das die äußeren Sterne sich deswegen zu schnell bewegen, weil diese nicht von innen nach außen bewegen, sondern weil es sich um Sterne handelt die sich durch Gas bilden das sich aufgrund der immensen Zentrifugalkräfte vom Galaxiekern löst und so zumindest einen Teil des Rotationsimpulses (in Form von Orbitalgeschwindigkeit) erhalten und sich deswegen “zu schnell” bewegen? Ich glaube ich hatte auch irgendwann mal etwas über spontane Sternentstehungsperioden gelesen, die sich durch Gas nahe am Galaxiekern bilden (Starburst), aber keiner weiss so genau wie das Gas dorthin kommt…

    Ist vermutlich Quatsch, lässt mir aber keine Ruhe, ich dachte ihr könntet das gerade rücken.

  10. #10 Alexander
    21. Juni 2013

    Swage,
    ja ist Quatsch. Hast du richtig erkannt.

  11. […] dritten Teil der Serie über dunkle Materie ging es heute um die Beobachtungen von Vera Rubin, die zeigen konnte, dass sich die Sterne in […]

  12. #12 Florian Freistetter
    21. Juni 2013

    @Swage: Wie soll die Zentrifugalkraft des SMBH die Sterne beeinflussen, die ein paar 1000 Lichtjahre weit weg sind? Zentrifugalkraft wirkt nicht über die Distanz…

  13. #13 Kallewirsch
    21. Juni 2013

    Bei dieser Rotation tritt zwangsläufig Zentrifugalkraft auf, die sich wiederum auf den Galaxiekern selbst auswirkt; sie wirkt der Gravitation entgegen.

    Zentrrifugalkraft ist eine scheinbare Kraft, die der rotierende Körper verspürt.
    Stehst du auf einer Kugel, die mit 1000U/min rotiert, dann verspürst du diese Kraft und ja, sie wirkt dann der Gravitation, die die Kugel auf dich ausübt entgegen.
    Schwebst du aber auch nur 1cm über dieser Kugel, dann rauscht die Kugel unter deinen Füssen durch. Da ist dann nicht mehr mit Zentrrifugalkraft und die “wirkt” dann auch der Gravitaion nicht mehr entgegen. Auf dich wirkt dann nur noch die Gravitation der Kugel selbst.

    (Jetzt mal relativistische Effekte aussen vor gelassen. Nur klassische Physik)

  14. #14 Swage
    Germany
    21. Juni 2013

    Okay, sehe ich ein. Aber zunächst befinde ich mich auf der Kugel. Solange wirkt die Zentrifugalkraft. Wenn jetzt die Zentrifugalkraft die Anziehungskraft überschreitet, hebe ich ab. Nehmen wir mal als Beispiel ein Karussell, bei dem die Kette reißt. Die Zentrifugalkraft wirkt dann zwar nicht mehr, aber das Bewegungsmoment bleibt doch erhalten (jedenfalls bis zum Bodenkontakt), was übertragen auf unser Beispiel bedeutet… Materie überwindet die Anziehungskraft des SMBH, mal vorrausgesetzt das Ding rotiert mit annährend Lichtgeschwindigkeit. Die Gravitation ist nicht ausreichend um die Materie wieder einzufangen, da diese ja den Schwellenwert bereits überschritten hat. Mit zunehmender Entfernung verringert sich der Einfluß von Gravitation doch recht zügig. Also… würde ich mal erwarten auf der Äquatorialeben des SMBH Material zu verlieren. Und diese Material behält den ursprünglichen Bewegungsimpuls bei. Ich sage nicht das es weiter beschleunigt, sondern bereits beschleunigt ist.

  15. #15 Desolace
    21. Juni 2013

    Wie kommt eigentlich diese “Furche” bei 10 Bogenminuten zustande? Und warum ist die höchste Geschwindigkeit nicht bei (zB) 5, sondern bei 50 BM?

  16. #16 Swage
    Germany
    21. Juni 2013

    Intereferenzmuster… da ist mehr als ein Vektor am werk, würde ich sagen.

  17. #17 Florian Freistetter
    21. Juni 2013

    @Desolace: Die genaue Form der Kurve inklusive “Furche” wird in diesem Video schön erklärt: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/06/21/video-wie-dunkle-materie-die-sterne-bewegt/

  18. #18 Bullet
    21. Juni 2013

    @Swage: die Definition eines Schwarzen Loches ist, daß Materie, die davon weg will, sich mit c++ bewegen müßte. (Weia, was für ein Wortspiel. Ich bin offenbar gut in Form heute.) Materie, die sich außerhalb des Ereignishorizontes befindet, hat aber nicht die zentrifugale Geschwindigkeit, weil nur das BH selbst ja so schnell rotiert. Diese Materie fällt also hinter den Ereignishorizont. Aber wenn sie hinter jenen fällt, ist sie immer zu langsam, um wieder “abzuheben” (weil langsamer als c, und selbst c reicht ja nicht).
    Der Umkehrschluß wäre, daß rotierende Schwarze Löcher relativ schnell verdampfen. Nicht durch Hawking-Strahlung, sondern durch zentrifugale Ablation. Was wiederum ein Widerspruch zum Konzept des “Schwarzen Loches” ist.

  19. #19 Niels
    21. Juni 2013

    @Bullet @Swage
    Na ja, man kann einem rotierenden Schwarzen Loch durchaus Rotationsenergie entziehen.
    “Klassisch” durch den Penrose-Mechanismus und elektromagnetisch durch den Blandford-Znajek-Mechanismus.

    Mit den Rotationskurven von Galaxien oder mit der dunklen Materie hat das aber überhaupt nichts zu tun.

  20. #20 mr_mad_man
    21. Juni 2013

    “Die Galaxien schienen in eine große Wolke aus dunkler Materie eingebettet zu sein und der gravitative Einfluss dieser dunklen Materie führte dazu, dass sich die Sterne schneller bewegten, als man erwarten würde.”

    Wenn ich das richtig verstanden habe bewegen sich die äußeren Sterne schneller als sie es sollten. Die Graviation im inneren einer Galaxie reicht nicht aus, um die Sterne “festzuhalten”. Wäre es dann nicht logischer, dass sich die DM ebenfalls im inneren der Galaxie befindet, als außenrum als Wolke? Bzw. wenn die DM-Wolke die Galaxie gleichmäßig durchdringt, müssten sich doch die Graviationskräfte, die nach innen und die, die nach außen hin wirken, gegeseitig aufheben? Da das, was ich geschrieben habe offensichtlich nicht so ist, habe ich den Mechanismus irgendwie doch noch nicht verstanden.

  21. #21 StefanL
    21. Juni 2013

    Wäre es dann nicht logischer, dass sich die DM ebenfalls im inneren der Galaxie befindet, als außenrum als Wolke?

    Die Idee ist wohl, daß sich die ganze DM-Wolke dreht und die baryonische Materie “mitgeschleppt” wird(?).

  22. #22 Steffmann
    21. Juni 2013

    @Florian:

    Woher weisst du DAS (Diskussion mit swage):

    ….Zentrifugalkraft wirkt nicht über die Distanz…

    Das stimmt nicht.

  23. #23 Bullet
    21. Juni 2013

    Weil?

  24. #24 PDP10
    21. Juni 2013

    @Steffmann:

    ” ….Zentrifugalkraft wirkt nicht über die Distanz…

    Das stimmt nicht.”

    ???

    Kannst du das erklären?

  25. #25 Steffmann
    21. Juni 2013

    Oh sorry, habs auch gerade gemerkt, der link fehlt:

    http://www.principlephysics.com/Forces-in-Galaxies.-Anomalies-explained.html

  26. #26 PDP10
    21. Juni 2013

    Na toll .. die ersetzen also ein Konzept, dass ihnen misteriös vorkommt – dunkle Materie – mit etwas das total abgedreht ist – K-Flux.

    Was das mit Zentrifugalkraft zu tun hat, erschliesst sich mir nicht.

    Übrigens ist die Zentrifugalkraft auch nur eine Scheinkraft.
    Mein Physiklehrer in der Oberstufe sagte immer in seinem nöligen Tonfall:
    “Dieses Wort wollen wir nicht in den Mund nehmen!”

  27. #27 Steffmann
    21. Juni 2013

    @PDP10

    Übrigens ist die Zentrifugalkraft auch nur eine Scheinkraft.

    Na PDP10, jetzt mach mal halblang. Wir sind hier auf einem Wissenschaftsblog und wollen uns die Realitäten ja nicht zusammen biegen. Aber ok, ich verstehe, was du meinst. Wie eben auf der von mir verlinkten Seite, muss (sollte) man einen Zusammenhang zwischen Massekern (SMBL) und Rotation vermuten.
    Und eigentlich muss man das auch berechnen können. Ich kann es zwar nicht, aber ich bin überzeugt, dass du eine Zentrifugalkraft mathemathisch für die Milchstrasse nachweisen könntest.

    Aber schon klar, da ich den Nachweis nicht führen kann, ist die Diskussion auch müssig. Ich bemühe mich um Fakten, dann reden wir weiter.

  28. #28 Steffmann
    21. Juni 2013

    Korrektur:
    soll Masse vom “SMBH” heissen.

  29. #29 Steffmann
    21. Juni 2013

    Ok, ich habe gerade versucht mich da durchzuackern…..

    http://en.wikipedia.org/wiki/Flux

    Mittlerweile verstehe ich, warum ihr skeptisch seid………

    War ich mal wieder zu vorlaut, sorry.

  30. #30 PDP10
    21. Juni 2013

    @Steffmann:

    Soetwas wie eine Zentrifugalkraft existiert nicht (ebensowenig wie die Corioliskraft übrigens).

    Was du auf dem Kettenkarussell als Zentrifugalkraft wahrnimmst, ist die Massenträgheit deines Körpers der eigentlich geradeaus fliegen will – Newtons 1. Gesezt.

    Du wirst aber von der Kette des Karussells auf eine Kreisbahn gezwungen, die eine Zentripetalkraft auf dich ausübt (die Kette, nicht die Kreisbahn).

    Natürlich benutzt man in der Praxis die Zentrifugalkraft – ebenso wie die Corioliskraft – zum Rechnen.
    Beide heissen aber nicht umsonst “Scheinkräfte”.

    Nur soviel zum Begriff.

    Was das mit dem ominösen K-Flux zu tun hat erschliesst sich mir aber eben nicht.

    Vor allem sehe ich nicht, was man mit der Einführung eines so komplizierten Konzepts gegenüber der Annahme des Vorhandenseins von Materie die einfach nicht elektromagnetisch wechselwirkt, gewonnen hätte.

  31. #31 Steffmann
    21. Juni 2013

    PDP10:
    Ok, für ein beobachtbares System auf Erde unter kontrollierten Bedingungen mag das so gelten.

    Was bedeutet Scheinkraft ? Genau die Tatsache, dass die Kraft für aussenstehende Beobachter nicht wahrnehmbar ist (Beispiel Karussel). Da wir aber nun wissen, dass sich unsere Galaxie spiralförmig gebildet hat (woher eigentich), stellt sich mir die Frage, woher diese Form kommt. Selbstverständlich spielt die DM eine Rolle, aber diese Struktur ist doch überall immer wieder zu entdecken, eben und gerade auch bei der Entstehung von neuen Solarsystem.

    Ich muss aufpassen, dass ich nicht wie ein Esoteriker klinge. Aber nur weil es “Flux” heisst, muss es noch lange nicht falsch sein.

    Oder anders gesagt, ich bin noch nicht überzeugt.

  32. #32 Alderamin
    22. Juni 2013

    @StefanL

    Die Idee ist wohl, daß sich die ganze DM-Wolke dreht und die baryonische Materie “mitgeschleppt” wird(?).

    Nein, die Idee ist, dass die DM überall ist, in der Galaxie und darum herum, zum Zentrum hin dichter gepackt. Dann wirkt auf einen Stern jeweils die Schwerkraft der weiter innen liegenden Gesamtmasse, und das ist dann eben viel mehr mit DM als ohne. Also muss der Stern schneller kreisen, weil die Kreisbahngeschwindigkeit um eine größere Masse größer ist.

  33. #33 Theres
    22. Juni 2013

    @PDP10
    Von dem Artikel, den Steffmann verlinkte, versteh ich ja nur ein Viertel, … aber:
    ein Indiz, nämlich die Pioneeranomalie, wurde ja anders erklärt und stützt ihr Modell nicht mehr.
    Hab ich weitere Indizien für ihre These übersehen?
    Für mich klingts möglich, genauso wie DM, für die aber erheblich mehr Indizien sprechen. Tja …

  34. #34 Strudel
    22. Juni 2013

    @mr_mad_man:
    Bei einer homogenen Masseverteilung kompensiert sich die Gravitation der äußeren Masse zu Null. Nur die innere Masse addiert sich zu einer Gravitationskraft als ob sie im Zentrum vereint wäre.

    Somit wirkt auf die Sterne umso mehr Masse, je weiter sie vom Zentrum entfernt sind. Jedoch scheint die zusätzliche Gravitationskraft, die auf diese Weise durch die sichtbare Materie zustande kommt, nicht auszureichen den beobachteten Effekt zu erklären, da die Dichte der sichtbaren Materie mit der Entfernung vom Zentrum stark abnimmt. So habe ich das verstanden.

  35. #35 Steffmann
    22. Juni 2013

    @Theres:
    Na ja, im Prinzp sagt der Artikel ja nix anders, als dass die Sternendichte mit zunehmenden Radius abnimmt. Zwischenzeitlich werden noch ziemlich wilde Theorien gewälzent. Und irgendwann kommt dann die Sprache auf den K-Flux. Das kommt dann eigentlich als eine Strahlungsdruck rüber, die mit der Kraft der Gravitation wirkt. Letztenendes war ich selbst sehr enttäuscht, da ich die Jungs eigentlich als zuverlässigen Link gespeichert hatte.

  36. #36 PDP10
    22. Juni 2013

    @Steffmann:

    “Aber nur weil es “Flux” heisst, muss es noch lange nicht falsch sein. “

    Nö. “Fluss” ist ein Begriff der in der Physik oft benutzt wird.

    “Was bedeutet Scheinkraft ? Genau die Tatsache, dass die Kraft für aussenstehende Beobachter nicht wahrnehmbar ist (Beispiel Karussel)”

    Nein, es ist genau anders rum.
    Für einen aussenstehenden Beobachter sieht es so aus, als ob der auf dem Karussell sitzende von irgendeiner Kraft nach aussen geschleudert wird.

    Diese Kraft existiert aber nicht.

    Der von aussen beobachtete Effekt ist eine Kombination aus Trägheit, die den Körper auf seiner gleichförmig – geradlinigen Bahn halten will und der Zentripetalkraft.

    Woher die Form der Spiralgalaxien kommt, hat @Alderamin gerade woanders erklärt … ich finds nur grad nicht ….

  37. #37 PDP10
    22. Juni 2013

    @Theres:

    Ich habe das Zeug, das Steffmann verlinkt hat nur kurz überflogen.
    Aber am Anfang postulieren die ein Teilchen namens K.
    Irgendwann kommen die dann auf diesen K-Flux.

    Das erscheint mir alles zeimlich aufwändig und kompliziert im Vergleich zu der Annahme der DM.

  38. #38 StefanL
    22. Juni 2013

    @Alderamin
    hmm – ich meine mich zu erinnern, daß schon mal diskutiert wurde ob im DM-Halo der Milchstraße DM-Dichteschwankungen beobachtbar seien und da war der Stand (noch kein Jahr her), daß die DM sehr gleichmäßig verteilt erscheint – gibt es da was Neues zu ? Auch http://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/physik_konkret/pix/Physik_Konkret_16.pdf (März 2013) zeigt eine ziemlich gleichmäßige (Verteilungs-)Dichte von DM…

  39. #39 Theres
    22. Juni 2013

    @PDP10
    Ja, soweit kam ich auch, es lässt sich wohl nur besser rechnen oder so … Ich hab aber den Physiker meines Vertrauens mal eben genervt, und zitiere ihn hier eiskalt, wobei bitte Uhrzeit und ebenfalls nur überfliegen zu bedenken sind:

    In der QM geht das bei vielen Kräften prima, die als Austausch von Teilchen zu beschreiben. Nur Gravitation bzw. die ART und QM wollen einfach nicht miteinander. Dei können sich irgendwie nicht ab.
    Ein Universelles Teilchen K einzuführen ist da schon mal komisch. Universell ist in der Physik eigentlich nichts. Universell hiesse ja, es macht mal dieses und mal jenes. Das ergibt keine wissenschaftliche Theorie mehr. Man könnte auch homöopathisch argumentieren: Dadurch, dass Planeten weit weg sind vom galaktischen Zentrum, verdünnt sich die Gravitation so sehr, dass sie sich potenziert 😆

    Ich kannte diese Seite auch als eine gute … aber ein Hobby braucht wohl jeder.

  40. #40 Theres
    22. Juni 2013

    @StefanL
    Ich dachte, der letzte Stand wäre der, dass sie nicht genug im Halo fanden? Und es gab da ein Paper, dass in einer Galaxie DM evtl. nachgewiesen wäre … wie üblich finde ich es nicht, wenn ich es brauche. Morgen, falls Interesse besteht, wenigstens einen Artikel, das Per war hinter ner Paywall … good n8

  41. #41 StefanL
    22. Juni 2013

    @Steffmann
    hast Du auch in den “K-Partikel/repulsive flux”-Seiten den Abschnitt über Michelson- Morley gelesen (u.a.) – da K-Partikel vorzuschlagen mit einigermaßen skurrilen Eigenschaften “Therefore, the K particle is postulated as a mini-Higgs. To make it fit with existing laws of physics, we only need to postulate certain properties for the K particles, and for how it is absorbed, retained and emitted from elementary particles.” …und so Aussagen wie “The K-particles described herein are equivalent to ether in the sense that they pervade the whole of space and have, on average, no net velocity relative to the Universe.” und “The emission of the K-particles from all elementary particles is directed so as to balance the incoming momentum, guaranteeing the conservation of momentum.” …. na ja 🙄

    Wenn Alternative zu WIMPs dann eher in der Art von http://arxiv.org/abs/0805.1726 ( und nicht über die ‘laws of motion’)

  42. #42 PDP10
    22. Juni 2013

    @Steffmann:

    “Woher die Form der Spiralgalaxien kommt, hat @Alderamin gerade woanders erklärt … ich finds nur grad nicht ….”

    Na toll … genau hier .. da wo man als letztes sucht halt.
    Nämlich in Kommentar #2 … 🙂

  43. #43 Lupo
    22. Juni 2013

    Hallo
    Ich hab vor ein paar Tagen im D Radio von der MOND Theorie gehört. Also dieser hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Modifizierte_Newtonsche_Dynamik
    Diese versucht die abweichungen in der Bewegungsgeschwindigkeit der Sterne ohne (oder nicht ausschließlich durch) dunkle Materie zu erklären, in dem sie davon ausgeht, das sich die bewegungsgesetze bei sehr kleinen Beschleunigungen anders verhalten als bei größeren.

    Ist diese Theorie Noch aktuell? (liest sich bei wikipedia ja ehr nicht so )

    Danke im vorraus für Antworten

    Lupo

  44. #44 Florian Freistetter
    22. Juni 2013

    @lupo mond ist morgen ausführlich an der Reihe.

  45. #45 Lupo
    22. Juni 2013

    Dann warte ich mal gespannt auf morgen

  46. #46 Alderamin
    22. Juni 2013

    @StefanL

    hmm – ich meine mich zu erinnern, daß schon mal diskutiert wurde ob im DM-Halo der Milchstraße DM-Dichteschwankungen beobachtbar seien und da war der Stand (noch kein Jahr her), daß die DM sehr gleichmäßig verteilt erscheint – gibt es da was Neues zu ?

    Außer dem, was in dem von Dir verlinkten Artikel über die Dichte in der Sonnenumgebung stand (wobei das dort ja auch wieder dementiert wird) wüsste ich nichts. Es ist aber auch notorisch schwierig, die Verteilung der DM um den Beobachter herum zu bestimmen. Das geht leichter aus einer Perspektive mit großem Abstand, wo man z.B. Gravitationslinsenwirkung messen kann.

    Aber selbst bei lokalen Inhomogenitäten könnte der DM Halo der Milchstraße insgesamt verhältnismäßig kugelsymmetrisch sein. Nur wird die Dichte nach innen hin zunehmen.

  47. #47 StefanL
    22. Juni 2013

    @Alderamin
    Ja im DPG-Artikel/Notiz(2013) wird das Paper der Chilenen( “zu wenig DM in Sonnennähe”(2012) ) dementiert. Dafür ist auf der Seite rechts unten (in gelb) die (plausible) DM -Dichte für eine Höhe von 13,5 kLj angegeben. Und das hieße dann ja immerhin, das über eine Kugelschale von etwa 1500-1600 Lj Dicke eine eher gleichbleibende DM-Dichte vorliegt. Und würde sich bei ungleichmäßiger Dichte nicht irgendeine Art von (zusätzlicher) Drift zeigen ( prinzipiell steht ja dem “Verklumpen” der DM ihr “weak interacting” entgegen) ?
    Vielleicht kommt in der Serie hier ja noch etwas zu der DM-Verteilung und wie das zu den Geschwindigkeiten in der Milchstraße passt ( bin irgendwie zu träge um mir das ggfs. per Oortschen Rotationsformel jetzt selbst anzutun 😉 ) ….bleibt spannend.

  48. #48 StefanL
    22. Juni 2013

    @Lupo
    ohne dem Hausherrn vorgreifen zu wollen, falls es dir bis Morgen zu lange dauert und u.U. als Vorbereitung http://de.wikipedia.org/wiki/Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie oder der verlinkte arxiv-Artikel in #41.

  49. #49 Alderamin
    22. Juni 2013

    @StefanL

    Und würde sich bei ungleichmäßiger Dichte nicht irgendeine Art von (zusätzlicher) Drift zeigen ( prinzipiell steht ja dem “Verklumpen” der DM ihr “weak interacting” entgegen) ?

    Ich würde sagen, nein, die DM kann man sich ja als riesige, kugelsymmetrische Wolke vorstellen, die mit ihrer Schwerkraft insgesamt auf ein Objekt wirkt. Die Winkelausdehnung der Masse innerhalb des Bahnradius eines Sterns um die Milchstraße ist ja 180° – so wie bei der Erdoberfläche, auf der man steht. Da gibt es auch lokale Inhomogenitäten – Gebäude, Hügel, Berge – deren Wirkung man nicht merkt, weil die Erdkugel insgesamt so viel größer ist. So ungefähr stelle ich mir das beim DM-Halo vor.
    Wenn es denn überhaupt Inhomogenitäten in ihr gibt.

  50. #50 Alderamin
    22. Juni 2013

    Ersetze Quoted Unquoted

  51. #51 Falk
    22. Juni 2013

    Wenn ich mir den Plot (und das verlinkte Video) ansehe, komme ich zu dem Schluss, dass es im Kern des Andromeda Nebels ein sehr schweres, sehr kleines Objekt geben muss – das erklärt den Peak in den Geschwindigkeiten bei niedrigen Abständen. Was mir aber auch auffällt, ist dass die Kurve im Bereich von 20 bis 40 Bogenminuten die Messwerte gut verfehlt. Nach dem Auge scheint es sich um keine an die Daten angepasste Kurve zu handeln (es gibt nur massive Aussreisser nach oben, keinen nach unten – das wäre noch optimierbar), sondern vermutlich eher an eine Vorhersage aus der Theorie (inklusive dunkler Materie, sonst würde die Kurve im Bereich großer Abstände ja schneller abfallen).
    Jetzt also meine Frage an die in diesem Bereich aktive Community: Ist das obige Verhalten “typisch” – d.h. gibt es auffallend oft einen Bereich mit diesen positiven Aussreissern? Und auch die Frage, die beim Videobeitrag gestellt wurde, finde ich interessant (hier umformuliert): Welche Vorhersagen über die räumliche Masseverteilung der dunklen Materie kann man aus dem obigen Ablesen?

  52. #52 Strudel
    23. Juni 2013

    Wenn dunkle Materie die Galaxien durchdringt, dann auch die Michstraße und unser Sonnensystem. Wie stark würde sich die dunkle Materie auf die Bahngeschwindigkeit bspw. des Neptun auswirken, könnte sie nicht eine prinzipiell messbare Abweichung bewirken?

  53. #53 Alderamin
    23. Juni 2013

    @Strudel

    Das ist eine sehr gute Frage! Das interessiert mich jetzt auch und ist leicht zu berechnen. Man weiß leider nicht genau die Dichte der DM in der Sonnenumgebung aber in dem von StefanL oben verlinkten DPG-Artikel steht etwas von einer Protonenmasse auf 3 Kubikzentimetern. Dann rechnen wir doch mal aus, wieviel Masse so innerhalb des Volumens der Neptunbahn zusammen käme. Diese wirkt dann so als ob sie sie ein Massenpunkt im Schwerpunkt dieses Volumens wäre (genau so könnte man sich die Erdmasse als Massenpunkt im Schwerpunkt der Erde denken; deren Schwerkraft auf einen Erdradius Entfernung wäre genau das, was wir auf der Erdoberfläche spüren).

    Große Halbachse Neptun: 30 AE = 30*1,5e+8 km = 30*1,5e+13 cm = 45e+13 cm. Nehmen wir der Einfachheit halber eine Kugel mit diesem Radius an, dann enthält diese 4/3*Pi*(45e+13 cm)³ = 3,82e+44 cm³. Macht dann mal 1/3 die Zahl der Protonenmassen: 1,27e+44.

    Ein Proton hat eine Masse von 1,67e-27 kg, also reden wir von 1,27e+44*1,67e-27 kg = 2,12e17 kg. Nehmen wir mal einen Körper der Dichte 2g/cm³ an, wie bei einem typischen Asteroiden, dann hätte ein kugelförmiges Objekt von etwa 29 km Radius eben jene Masse.

    Und sie wirkt aus dem Schwerpunkt der gedachten Kugel mit dem Radius der Neptunbahn. Die DM innerhalb der Neptunbahn wirkt auf Neptun also so, als ob die Sonne um die Masse eines Asteroiden mit weniger als 60 km Durchmesser schwerer wäre, als sie es ist. Und das ist so wenig, dass man es nicht messen kann. Für weiter innen liegende Planeten wäre die Wirkung der DM noch viel kleiner.

  54. #54 Strudel
    23. Juni 2013

    @Alderamin:
    Danke für die ausführliche Antwort!

  55. #55 Steffmann
    23. Juni 2013

    @Stefan L.

    @Steffmann
    hast Du auch in den “K-Partikel/repulsive flux”-Seiten den Abschnitt über Michelson- Morley gelesen (u.a.) – da K-Partikel vorzuschlagen mit einigermaßen skurrilen Eigenschaften

    Mittlerweile habe ich mich da, soweit es meine phsikalische Vorbildung zulässt, eingelesen. Das sind ein paar Annahmen zuviel, um eine brauchbare Theorie abzugeben.

    Wenn Alternative zu WIMPs dann eher in der Art von http://arxiv.org/abs/0805.1726 ( und nicht über die ‘laws of motion’)

    Die olle MOND-Theorie. An diesem Punkt steige ich als Nicht-Physiker regelmäßig aus. Aber soweit ich es Laie beurteilen kann, auch hier zuviele nicht beochtbare Annahmen.

    Trotzdem Danke, Stefan. Habe wieder etwas dazu gelernt.

  56. #56 Wurgl
    23. Juni 2013

    Wie geht dieses Diagramm zur Rotation von Sternen weiter? Eine schnelle Suche bei Google liefert Kurven bis zum Bereich von 50.000 parsec. Okay, dort gibts keine Messpunkte durch Sterne, insoferne schwierig. Nur wird man sich doch wohl auch etwas über die Fortsetzung dieser Kurve gedacht haben.

  57. […] tatsächlich mehr sein muss, als nur das, was leuchtet. Diese Entdeckungen habe ich in Teil 2 und Teil 3 der Serie erklärt. Und in Teil 4 war das frühe Universum an der Reihe, das uns ebenfalls zeigte, […]

  58. #58 Swage
    Germany
    26. Juni 2013

    @ Bullet #18

    Das ist aber ein rein räumliche Betrachtungsweise, die alle Formen von temporaler Verzerrung außen vor lässt, die mit Sicherheit eine wichtige Rolle spielen.

    Und die “Ablation” lässt sich möglicherweise in Form von Quasaren (aktiven Galaxiekernen) direkt beobachten, ABER da wir auch inaktive Galaxiekerne beobachten scheint es irgendeine Form von Kräftegleichgewicht zu geben, was auch das gemessene Interferenzmuster in der Verteilung der Orbitalgeschwindigkeiten der Sterne in der Akkreditionsscheibe bestätigt.

    Gibt es irgendeine Verhältnissmäßigkeit zwischen der Größe von Galaxiekernen und dem auftreten von Quasaren, bzw. deren Inaktivität?

    Irgendetwas stimmt da nicht. Irgend ein Zusammenhang mit dem Machschen Prinzip, aber ich komme einfach nicht drauf.

    Diese Dunklen “Materie”-Filamente halte ich ehrlich gesagt für ein Netzerk aus räumlich-temporale Verzerrungen (=Warpfelder), was mit Sicherheit in jedem Fall richtig ist, allerdings schätze ich die Ursache ist nicht in den Filamenten selbst zu finden (es handelt sich da eher um “Falten”), sondern an deren Ursprungs, bzw. Endpunkten.

    Das erklärt übrigens auch recht elegant warum Dunkle Materie sich nicht beeinflusst… weil es sich eben nicht um Baryonen handelt, sondern um Raum-Zeit-Verzerrungen.

    Das zu beweisen… dürfte allerdings recht herausfordernd werden.

  59. #59 Peter
    MUC
    15. Oktober 2013

    Ich verstehe das so, daß Sterne, die alle ungefähr die gleiche Masse haben, zum Ende des Spiralarms viel langsamer sein müßten. Die obskure Materie verdichtet (“verklebt”) aber den Raum mit Gravitation, sodaß alle Sterne ca. die gleiche Winkelgeschwindigkeit bekommen. Anscheinend besteht die obskure Materie nur aus Gravitonen, die mit der sichtbaren Materie wechselwirkt.
    Übrigens ist der Begriff “Dunkle Materie” äüßerst irreführend. “Durchsichtige Materie” wäre schon angebrachter.

  60. #60 rolak
    15. Oktober 2013

    Nun ja, Peter, etwas, das nicht EM-wechselwirkt, ua nie leuchtet ‘dunkel’ zu nennen ist doch sehr naheliegend. Vielleicht hast Du zuviel von ‘tiefschwarz’ oder ‘verdunkelnd’ vor Augen. Immerhin sagt man ja auch ‘nachts ist es dunkel’ und nicht ‘nachts ist es durchsichtig’.
    Andererseits impliziert ‘durchsichtig’ nicht ‘nicht leuchtend’, wie Du am Beispiel glühenden (!) Glases sehen kannst.

  61. #61 Florian Freistetter
    15. Oktober 2013

    @Peter: “Anscheinend besteht die obskure Materie nur aus Gravitonen, die mit der sichtbaren Materie wechselwirkt.”

    Ähm – warum?

  62. #62 Alderamin
    15. Oktober 2013

    @Peter

    Sterne haben alle möglichen Massen, aber das spielt für ihre Umlaufgeschwindigkeit keine Rolle. Alle Körper fallen gleich schnell (im Vakuum), also fallen sie auch gleich schnell um ein Schwerezentrum (um genau zu sein zählt die Summe der Massen, aber an der Massensumme der Milchstraße hat jeder einzelne Stern nur einen verschwindenden Anteil).

    Die Dunkle Materie trägt zusätzlich Masse bei, und zwar insgesamt 4-mal so viel wie alle Sterne alleine. Sie ist auch nicht scheibenförmig, sondern kugelsymmetrisch verteilt.

    Ich bin zwar kein Experte für Quantengravitation, aber mein Verständnis ist, dass die Gravitonen, die vermuteten Feldteilchen der Gravitation, virtuelle Teilchen sind (wie auch die Photonen und Eichbosonen, welche die anderen Grundkräfte übertragen) und damit keine wirksame Masse haben.

    Bei der DM handelt es sich viel mehr um reelle Teilchen, die einfach nur nicht elektromagnetisch wechselwirken und sich somit an normaler Materie, die aus elektrisch geladenen Elektronen und Quarks besteht, nicht “stören”. Ein Beispiel für solche Teilchen sind auch die Neutrinos, auch die gehen durch jede Materie ungehindert durch, nur gibt es deren zu wenige, um die Dunkle Materie zu erklären. Außerdem bewegen sie sich zu schnell, um relativ zur Milchstraße in Ruhe bleiben zu können (sie gehören zur “heißen Dunklen Materie”, gesucht wird die “kalte”). Es muss sich also um neue, noch unentdeckte Teilchen handeln.

  63. #63 Stefan
    22. August 2016

    Hallo,

    wird bei den Gravitationsberechnungen auch immer die Bewegung der einzelnen Sterne mit einberechnet. Oder wird auf Basis eines statischen Bildes die Gravitation berechnet?

    Was ich damit meine:
    Die Gravitation dehnt sich doch auch mit Lichtgeschwindigkeit aus. Somit müsste auch die Geschwindigkeit der Körper Auswirkung auf die Gravitation haben.
    Wenn stark vereinfacht zwei Sterne hintereinander in eine Richtung “fliegen”, dann würde der vordere Stern weniger Stark von dem folgenden Stern angezogen werden als der folgende Stern vom vorderen Stern.
    Und um so höher die Geschwindigkeit ist, um so höher ist auch die Auswirkung der Gravitation.

    Das hat im großen zwei Auswirkungen:
    Das Universum dehnt sich aktuell immer schneller aus, da die äußersten sichtbaren Galaxien von ihren “Vordermännern” immer stärker angezogen werden.
    Langfristig sollte die Gravitation des Universums aber zurück auf die Mitte zielen. Irgendwann wird z.B. der “Vordermann” überholt.

    Bei Galaxien bedeutet es, dass ein Stern eventuell stärker von den Sternen angezogen wird, die “vor ihm herfliegen”, also von anderen Objekten.

  64. #64 Captain E.
    22. August 2016

    @Stefan:

    Ich schätze, dass die Astronomen auf diese einfachen Lösungsmöglichkeiten auch schon gekommen waren.

  65. #65 Alderamin
    22. August 2016

    @Stefan

    Das Schwerefeld eines Sterns wird nicht durch lichtschnelle Gravitationswellen vermittelt, sondern durch den gekrümmten Raum um ihn herum. Wenn sich der Stern gleichförmig bewegt, tut es auch der gekrümmte Raum um ihn herum, das Feld ist vor und hinter dem Stern symmetrisch. Das liegt einfach am Relativitätsprinzip, alle Naturgesetze gelten unverändert für gleichförmig bewegte Objekte wie für solche in Ruhe.

    Bei einer beschleunigten Bewegung, z.B. auf einer Kreisbahn, stimmt das streng genommen so nicht mehr. Die Sterne umkreisen die Milchstraße zwar auf geschlossenen Bahnen, aber die sind so riesig groß, dass sie sich in guter Näherung (was die Gravitation betrifft) gleichförmig und unbeschleunigt bewegen. Man macht keinen signifikanten Fehler, wenn man rein klassisch rechnet.

  66. […] den wichtigsten Teil von Rubins Arbeit habe ich früher schon mal geschrieben; möchte aber den Anlass nutzen um noch einmal darauf hinzuweisen, was sie geleistet hat. In […]