In meinem 50tägigen Countdown zum 50. Jubiläum der Mondlandung ging es 31 Tage lang um den Mond. Heute möchte ich was über MOND erzählen, was zwar gleich geschrieben wird, aber doch ein bisschen etwas anderes ist. “MOND” ist ein Akronym das für “MOdifizierte Newtonsche Dynamik” steht. Also eine alternative Beschreibung der Gravitation die als eine mögliche Lösung für das Problem der Dunklen Materie ins Spiel gebracht wurde.

Ganz kurz erklärt (eine ausführliche Beschreibung der dunklen Materie findet ihr hier) geht es bei der dunklen Materie darum, dass wir seit fast 100 Jahren Beobachtungen machen immer das gleiche zeigen: Die Dinge im All bewegen sich ein klein wenig anders als sie es tun sollten. Das kann zwei Gründe haben: Entweder wir haben bei der Betrachtung der Bewegung den Einfluss von Materie nicht berücksichtigt und das deswegen weil diese Materie sich den üblichen Detektionsmethoden entzieht. Oder aber die Art und Weise wie wir aus der Gravitationskraft resultierende Bewegung beschreiben ist nicht korrekt. Der erste Ansatz hat die Wissenschaft dazu gebracht während der letzten Jahrzehnte nach einer noch unbekannten Art der Materie zu suchen, eben der “dunklen Materie”, die sich ganz anders verhält als die “normale Materie”, also zum Beispiel nicht elektromagnetisch wechselwirkt und damit “dunkel” oder besser gesagt “unsichtbar” ist. Der zweite Ansatz hat zu alternativen Beschreibungen der Gravitationskraft geführt, von denen “MOND” die bekannteste ist.

Der Laserretroreflektor auf der Mondoberfläche (Bild: NASA)

Beide Ansätze haben bis jetzt keine konkreten Ergebnisse gebracht. Aber Indranil Banik und Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen und Kernphysik in Bonn haben nun einen Weg gefunden, wie man in naher Zukunft mit konkreten Beobachtungen ein wenig Licht in die Angelegenheit bringen kann (“Directly testing gravity with Proxima Centauri”). Es geht um etwas – und damit sind wir wieder beim Thema der Mondlandung – was auch schon seit 50 Jahren am und mit dem Mond erforscht wird. Als Neil Armstrong und Buzz Aldrin am 21. Juli 1969 als erste Menschen dort herum spaziert sind, haben sie ja nicht nur die Aussicht bewundert und Fotos gemacht. Sondern auch wissenschaftliche Experimente installiert. Eins davon war “LRRR”, der “Lunar Ranging Retro Reflector”; simpel gesagt ein Reflektor der Laserstrahlen wieder genau in die Richtung zurück wirft aus der sie gekommen sind. Auch die übrigen Apollo-Missionen haben solche Dinge auf dem Mond aufgestellt und man kann sie heute noch mit Laserstrahlen von der Erde aus anvisieren. Und tut das auch; mit solchen Messungen kann man den Abstand zwischen Erde und Mond extrem genau vermessen. So kann man zum Beispiel feststellen, dass sich der Mond jedes Jahr ein paar Zentimeter von uns entfernt (was an den Auswirkungen der Gezeitenkraft liegt). So könnte man aber auch merken, falls sich der Mond anders bewegt als es die aktuelle Theorie zur Beschreibung der Gravitationskraft vorsieht.

Das war bis jetzt nicht der Fall. Aber vielleicht sieht man mehr und besser, wenn wir nicht zum Mond sondern zum der Sonne nächstgelegenen Stern schauen: Proxima Centauri ist 4,2 Lichtjahre entfernt und Teil eines Mehrfachsternsystems. Er umkreist den Doppelstern Alpha Centauri in sehr großem Abstand. Das ist wichtig, weil seine Bewegung deswegen auch vergleichsweise langsam ist. Und die alternative Gravitationstheorien unterscheiden sich vor allem bei solchen kleinen Beschleunigungen von der normalen Gravitation. Banik und Kroupa haben nun berechnet, wie sehr die beobachteten Eigenschaften von Proxima Centauri im Laufe von 10 Jahren von dem abweichen müssten, wenn MOND tatsächlich eine korrekte Beschreibung der Gravitation wäre.

Proxima Centauri, unser Nachbarstern. (Bild: ESA/Hubble & NASA)

Die Radialgeschwindigkeit des Sterns wäre dann um 0,52 Zentimeter pro Sekunde größer als der Wert der bei der Berechnung mit den klassischen Theorien vorhergesagt wird. Wir können nun zwar Radialgeschwindigkeiten von Sternen (also die Geschwindigkeit mit der sie sich direkt auf uns zu bzw. von uns weg bewegen) sehr gut messen. Aber ein Unterschied von einem halben Zentimeter pro Sekunde ist trotzdem zu gering um mit der aktuellen Technik registriert werden zu können. Es würde aber auch die Position des Sterns am Himmel geringfügig von den üblichen Prognosen abweichen und zwar um ein bisschen mehr als 7 Mikrobogensekunden. Auch das ist enorm wenig, aber läge innerhalb dessen, was ein geplantes Weltraumteleskop mit dem Namen “Theia” messen könnte.

Schwierig bleibt die Sache trotzdem. Abgesehen davon das mehr als nur unklar ist, ob so ein neues Teleskop auch wirklich gebaut ist: Man muss dann mehrere Messungen pro Jahr, über 10 Jahre hinweg durchführen. Man muss den Durchmesser von Proxima Centauri noch viel genauer bestimmen als er derzeit bekannt ist, wenn man die Berechnungen ausreichend genau durchführen will. Man muss andere Parameter des Sterns ebenfalls genauer bestimmen als heute. Und bewegt sich dabei immer an den Grenzen des technisch möglichen. Aber es ist gut zu wissen, dass eine direkte Prüfung von MOND durch Beobachtungen mittlerweile in einigermaßen vielversprechender Nähe liegt. Vor allem weil es ja am Himmel noch mehr solcher Doppelsterne mit weit voneinander entfernten Komponenten gibt wie Proxima Centauri. Sollte das Problme der Dunklen Materie wirklich auf einem fehlerhaften Verständnis der gravitativen Wechselwirkung basieren, haben wir gute Chancen, das in den nächsten Jahrzehnten herausfinden zu können.

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Kommentare (10)

  1. #1 UMa
    3. Juli 2019

    Die Umlaufbahnen weiter Doppelsterne lassen sich zum Testen der Gravitation benutzen. Außer Objekten wie Planeten sind kaum zusätzliche Massen an dunkler Materie zu erwarten.

    Man kann dies auch an vielen weiten Doppelsternsystemen gleichzeitig tun, um die Messfehler zu reduzieren. Leider sind die absoluten Radialgeschwindikeitsmessungen wegen des nötigen Herausrechnens der konvektiven Blauverschiebung nicht genau genug.
    Aber mittels statistischer Methoden kann die Verteilung der Differenzen der Eigenbewegungen bestimmt werden, die sich für Newton und MOND unterscheiden.

    Die Unterschiede sind für MOND ohne externen Feldeffekt groß. Für MOND mit externem Feldeffekt ist der Unterschied bedeutend kleiner, da im Abstand der Sonne vom galaktischen Zentrum (8178 pc) das Gravitationsfeld noch ziemlich stark ist.

    Die genausten Bestimmungen für die Eigenbewegungen für Sterne liefert zur Zeit die GAIA Mission.
    Mittels des GAIA DR2 konnten bereits erste Ergebnisse erzielt werden.
    https://arxiv.org/abs/1905.09619
    Nach der verlinkten Arbeit ist MOND ohne externen Feldeffekt stark inkonsistent mit der Verteilung der Eigenbewegungen der weiten Doppelsterne in der Umgebung der Sonne.

    Vielleicht wird am Ende der GAIA Mission die Genauigkeit ausreichen auch zwischen Newton und MOND mit externem Feldeffekt anhand weiter Doppelsterne zu unterscheiden.

  2. #2 Leser
    3. Juli 2019

    Ich kenne einen “Feldeffekt” bisher nur bei Transistoren. Was ist ein interner oder externer Feldeffekt bei MOND ?

    Schade, ich werde das wahrscheinlich nicht mehr erleben. Wenn ich noch 2 Jahrzehnte mit klarem Verstand habe, bin ich zufrieden. 3 Jahrzehnte werde ich nicht mehr erleben.

  3. #3 Captain E.
    3. Juli 2019

    @Leser:

    Ich kenne einen “Feldeffekt” bisher nur bei Transistoren. Was ist ein interner oder externer Feldeffekt bei MOND ?

    […]

    Ich fürchte, das weiß keiner so genau. Ich habe das alles in allem so verstanden, dass der externe Feldeffekt ein Effekt ist, der genau so groß ist, um die Beobachtungen nach MOND erklären zu können.

  4. #5 UMa
    3. Juli 2019

    Bei Newton oder der ART (allgemeine Relativitätstheorie) sind die Umlaufbahnen eines Doppelsternsystem nur von den Massen und Abständen der Sterne abhängig, egal ob eine zusätzlichen, gleiche, konstante Beschleunigung an beiden Sternen zieht oder nicht.

    Für die MOND Theorien gilt das üblicherweise nicht. Hier hängt die gravitative Beschleunigung davon ab, ob noch andere weit entfernte Massen an dem Doppelstern ziehen oder nicht.
    D.h. das Verhalten ist nicht wie in der ART in allen freifallenden Bezugssystemen gleich, sondern es hängt von der absoluten Beschleunigung ab.

    Das macht das ganze natürlich viel komplizierter als die ART.

    Hier, ungefähr in der Mitte gibt es eine kurze Übersicht mit Bild:
    http://scienceblogs.de/alpha-cephei/2018/09/12/nicht-so-schnell-mit-mond-die-zwerggalaxie-ngc1052-df2-als-kritischer-test-fuer-mond-und-das-dunkle-materie-modell/

  5. #6 Leser
    3. Juli 2019

    @ UMa

    Schade, ich dachte Sie hätten Sachkenntnis, und könnten mir erklären, was Sie im Beitrag #1 geschrieben haben. Mir fehlt die Sachkenntnis in dieser Beziehung, und ich weiß nicht, was ein “externer Feldeffekt” bei MOND ist. Deshalb hatte ich gefragt.

    “Feldeffekt” kann so viel sein. Schon die Gravitation kann man als “Feldeffekt” bezeichnen, als Effekt des Gravitationsfeldes selbst. Bei Transisoren ist damit die Steuerung der Ladungsträgerkonzentration (und damit der Leitfähigkeit) durch ein elektrisches Feld im Kanal eines Feldeffekttransistors gemeint. Die Astronomen arbeiteten schon immer mit “Feldeffekten”, dem Nachweis von elektromagnetischen Feldern (Strahlung, Licht) und der Feststellung der Richtung, aus der die elektromagnetischen Felder kommen.

    Der Begriff “Feldeffekt” ist zu allgemein und mehrdeutig. Man kann ihn nur verstehen, wenn man den Zusammenhang kennt, in dem man ihn gebraucht. Und bei MOND kenne ich diesen Zusammenhang nicht. Deshalb meine Frage.

  6. #7 Leser
    3. Juli 2019

    @ UMa

    Danke, unsere Kommentare haben sich überschnitten. Als ich meinen Kommentar begonnen hatte, gab es Ihren Kommentar noch nicht.

  7. #8 Gustav
    3. Juli 2019

    “Sollte das Problme der Dunklen Materie wirklich auf einem fehlerhaften Verständnis der gravitativen Wechselwirkung basieren, haben wir gute Chancen, das in den nächsten Jahrzehnten herausfinden zu können.”

    … und würde dann noch immer Dunkle Materie benötigen, um tatsächlich alle Phänomene zu beschreiben.

  8. #9 Torq
    3. Juli 2019

    @Gustav #8

    Die da wären?

  9. #10 Karl Mistelberger
    mistelberger.net
    4. Juli 2019

    > #6 Leser, 3. Juli 2019
    > Der Begriff “Feldeffekt” ist zu allgemein und mehrdeutig. Man kann ihn nur verstehen, wenn man den Zusammenhang kennt, in dem man ihn gebraucht. Und bei MOND kenne ich diesen Zusammenhang nicht. Deshalb meine Frage.

    Newton hatte sich das Gravitationsgesetz ausgedacht und über Jahrhunderte hatte man es bestätigt gefunden. Im Sonnensystem gibt es subtile Abweichungen, die Einstein mit seiner Relativitätstheorie erklären konnte. Damit hat er aber auch gezeigt, dass Newton im Großen und Ganzen recht hatte.

    Auf einmal kamen die MONDianer und behaupteten, es sei alles ganz anders: Man dürfe nicht einfach die Wirkungen mehrerer Massen aufaddieren um die Gesamtwirkung zu erhalten. Diese Abweichung von Newton bezeichnet man im Rahmen der Gravitationstheorien als externen Feldeffekt.

    Das kann man natürlich auch in der Wikipedia nachlesen:

    In Newtonian mechanics, an object’s acceleration can be found as the vector sum of the acceleration due to each of the individual forces acting on it. This means that a subsystem can be decoupled from the larger system in which it is embedded simply by referring the motion of its constituent particles to their centre of mass; in other words, the influence of the larger system is irrelevant for the internal dynamics of the subsystem.

    Since Milgrom’s law is non-linear in acceleration, MONDian subsystems cannot be decoupled from their environment in this way, and in certain situations this leads to behaviour with no Newtonian parallel. This is known as the “external field effect” (EFE).