Einführung
Die Schwerkraft ist eine der Schlüsselkräfte der Natur und im Grunde die erste Naturkraft, die in früheren Jahrhunderten untersucht wurde. Es war Einstein, der das erste Gravitationsgesetz aufstellte, d. h. die Einsteinsche Gravitationsfeldgleichung. Die Gleichung stellt eine Hypothese über die Proportionalitätsregel und das allgemeine Relativitätsprinzip auf (Holcomb und Hawley 105). Das allgemeine Relativitätsprinzip verlangt, dass das Gravitationsgesetz unabhängig von Richtungsänderungen ist, und kontrolliert die Funktionalität der Einsteinschen Gleichung. Die Einsteinsche Gravitationsfeldgleichung geht auf das Langrangsche Dynamikprinzip zurück (Hernandez, Ma und Wang 6).
Dunkle Materie und dunkle Energie sind zwei kritische Wunder, die eine weitere Untersuchung des Gravitationsgesetzes erfordern. In letzter Zeit hat sich gezeigt, dass die Existenz von dunkler Materie und dunkler Energie dazu führt, dass die Variation des Einstein-Hilbert-Funktionals unter die Kontrolle des Energie-Moment-Schutzes fällt, was allgemein als Prinzip der Wechselwirkungsdynamik bekannt ist (Baldi 22). Das Prinzip der Wechselwirkungsdynamik wird aus den folgenden Gravitationsfeldgleichungen abgeleitet:
……………… (1)
Die Gleichung wird durch die folgende Energie-Impuls-Erhaltungsgleichung ergänzt:
………………………… … (2)
Der Astrophysik zufolge ist die dunkle Materie eine unbekannte Form von Materie, die nur an den Gravitationswechselwirkungen teilnimmt, aber keine elektromagnetische Strahlung abgibt oder aufnimmt (Baldi 22). Die dunkle Materie wurde ursprünglich von Jan Oort, einem holländischen Astronomen, in den frühen 1930er Jahren als Hypothese aufgestellt. Jan Oort stellte fest, dass die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne in der Milchstraße nicht mit ihrer Masse übereinstimmt. Die Theorie der dunklen Materie wird durch die Rubinschen Kreiselbögen für die Kreiselgeschwindigkeit der Galaxien in hohem Maße gestützt.
Die Rotationskurve der Galaxie ist die Kreiselgeschwindigkeit der erkennbaren Sterne oder Gase im galaktischen Zyklus auf der Grundlage ihrer äußeren Entfernung vom Mittelpunkt. Dies bedeutet, dass sich fast alle Sterne im galaktischen Zyklus mit annähernd der gleichen Geschwindigkeit bewegen. Die Rubin-Rotationskurve widerspricht der konventionellen Logik, wonach die Rotationsgeschwindigkeit durch die radiale Entfernung bestimmt wird. Aus diesem Grund bestätigt die Rubinkurve die Existenz eines zusätzlichen Gravitationseffekts zur Schwerkraft durch die erkennbare Materie im galaktischen Zyklus (Turner 44).
Astrophysikalische Studien haben Unstimmigkeiten zwischen der aus der Gravitationswirkung ermittelten Masse und der aus der erkennbaren Materie berechneten Masse aufgedeckt. Die fehlende Masse beweist die Existenz der dunklen Materie im Weltraum (Holcomb und Hawley 163). Die neue Gravitationskraftformel zeigt, dass die dunkle Materie eine Raumkrümmungsenergie ist. Diese Energie ist gleichbedeutend mit einer Gravitationswirkung, daher der Begriff “dunkle Energie”. Dieser Begriff wurde vor allem in den 1990er Jahren eingeführt und war mit der Vorstellung verknüpft, dass sich das Universum ausdehnt. Ein von den führenden Planetenforschern der USA veröffentlichter Bericht zeigt Diskrepanzen zwischen den berechneten und den hypothetischen Angaben zur Beschleunigung des expandierenden Universums auf. Diese Diskrepanzen werden mit Hilfe des Hubble-Gesetzes und der Theorie von Friedman erklärt. Die Beschleunigung der Expansion wird allgemein als Beweis für das Vorhandensein von dunkler Energie anerkannt (Springel Abs. 8).
Aktuelle Studien und Entwicklungen zu dunkler Materie und dunkler Energie
Die Natur und die Eigenschaften der dunklen Materie und der dunklen Materie stellen eine der größten Herausforderungen der heutigen Astrophysik und der Wissenschaft insgesamt dar. Während die Beweise für ihr Vorhandensein nach mehr als einem Jahrzehnt von Experimenten und Planetenstudien unwiderlegbar erscheinen und alle die Notwendigkeit anerkennen, neue Modelle für die beiden rätselhaften Phänomene zu entwickeln, bleibt ihre wesentliche Natur anonym. Dennoch werden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um das Geheimnis der beiden Komponenten zu lüften und zur Erklärung des “dunklen Segments” beizutragen, das die universelle Energiedichte steuert (Springel Abs. 1).
Die fortschrittlichen Satellitenobservatorien, z. B. WMAP und Plank, haben unser Verständnis der verschiedenen Bestandteile des Universums schrittweise verbessert. Nach den neuesten Messungen der Zusammensetzung des Universums bestehen nur 5 Prozent aus “normaler Materie”, 27 Prozent aus “dunkler Materie” und 68 Prozent aus noch “dunklerer Materie”. Die ergänzenden Bodenobservatorien haben die Standorte von Weltraumobjekten und galaktischen Komponenten kartiert.
Die dunkle Materie nimmt das größte Volumen ein (Royal Astronomical Society Abs. 1.). Nach Angaben der Royal Astronomical Society befindet sich fast die Hälfte der gesamten Masse des Universums in der Galaxie (Abs. 3). Diese Masse ist auf ein Volumen von 0,2 Prozent der wahrnehmbaren Materie komprimiert, während weitere 44 Prozent im umgebenden Filament absorbiert sind. Lediglich 6 Prozent befinden sich in Hohlräumen und machen 80 Prozent der Masse aus (Royal Astronomical Society Abs. 3).
Bislang wurde die dunkle Materie noch nicht aus nächster Nähe gesehen. Das liegt daran, dass sie nicht mit schweren Elementarteilchen wechselwirkt und mit Licht überhaupt nicht nachweisbar ist. Das macht es schwierig, die dunkle Materie mit den heutigen Instrumenten zu entdecken. Die Astrophysiker sind sich jedoch sicher, dass sie aufgrund ihrer gravitativen Wirkung auf Galaxien und Galaxienhaufen vorhanden ist (Springel, Abs. 4). Gemäß der Standardphysik sollten Sterne, die weit vom galaktischen Zentrum entfernt sind, langsamer sein als solche in der Nähe des galaktischen Zentrums. Jüngste Beobachtungen mit modernsten Instrumenten haben jedoch gezeigt, dass sich alle Sterne unabhängig von ihrer radialen Entfernung mit fast derselben Geschwindigkeit bewegen. Diese rätselhafte Beobachtung ergibt einen Sinn, wenn man annimmt, dass die weit vom galaktischen Zentrum entfernten Sterne der Gravitationswirkung einer unsichtbaren Masse ausgesetzt sind (Springel Abs. 5).
Dunkle Materie beschreibt einige visuelle Eindrücke, die Astrophysiker normalerweise im fernen Weltraum sehen. Die Galaxien werden in der Regel mit eigenartigen Ringen und Lichtschwaden abgebildet. Bei weiter entfernten Galaxien sind die Bilder stärker verzerrt und werden durch die nicht erkennbare Wolke der dunklen Materie verstärkt. Dieses Phänomen wird gemeinhin als Gravitationslinseneffekt bezeichnet (Springel Abs. 5). Hernandez, Ma und Wang bestätigen, dass die dunkle Materie aus fremden Teilchen besteht, die sich nicht mit der normalen Materie oder dem elektromagnetischen Spektrum vermischen, aber dennoch eine Anziehungskraft ausüben (8).
Wie bereits erwähnt, dehnt sich das Universum trotz der Anziehungskraft der Schwerkraft beschleunigt weiter aus. Die Wissenschaftler führen dies auf eine Art aversiver Kraft zurück, die durch Quantenvariationen im “leeren” Raum erzeugt wird. Außerdem scheint diese Kraft mit der Ausdehnung des Universums zuzunehmen. Da den Wissenschaftlern kein besserer Name für diese abstoßende Kraft einfiel, nannten sie sie “dunkle Energie” (Turner 5). Die dunkle Energie ist mysteriöser als die dunkle Materie, da es keine konventionelle Erklärung für sie gibt. Einige Wissenschaftler glauben, dass die dunkle Energie eine der fünf Quintessenzkräfte ist, die bisher unbekannt waren. Die Quintessenzkräfte füllen das Universum ähnlich wie eine Flüssigkeit. Viele Wissenschaftler weisen jedoch darauf hin, dass die erkannten Merkmale der dunklen Energie mit der kosmologischen Konstante übereinstimmen. Die kosmologische Konstante ist ein mathematisches Pflaster, das von Albert Einstein bei der Formulierung seiner Relativitätstheorie eingeführt wurde (Springel Abs. 7).
Einstein verwendete die kosmologische Konstante, um sein Modell mit dem Konzept des unbewegten Universums in Einklang zu bringen. Er glaubte, dass es eine abwehrende Kraft gab, die der Gravitationskraft entgegenwirkte und dazu beitrug, dass das Universum nicht kollabierte. Einsteins Idee wurde später verworfen, als die fortschrittlichen Satellitenobservatorien zeigten, dass das Universum expandiert. Die meisten Wissenschaftler betrachten dies als Einsteins größten Fehler (Springel, S. 9).
Eine kürzlich von Baldi durchgeführte Studie zeigt, wie dunkle Materie und dunkle Energie offen miteinander korrelieren, indem sie während ihres galaktischen Umlaufs Energie austauschen (134). Er stellte die dunkle Energie als eine dynamische Masse dar, die die galaktische Konstante der konventionellen Modelle ersetzt, und erklärt in einer phänomenologischen Darstellung die Beziehung zwischen dunkler Energie und dunkler Materie. Seine Studie stützt sich auf eine Vielzahl von Literatur zu den Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und dunkler Energie. Die Studie widerspricht einigen früheren Studien, die einen Anstieg der Konzentrations- und Dichteprofile im galaktischen Zentrum im Vergleich zum galaktischen Rand postulierten (Baldi 135).
Schlussfolgerung
So sehr sich die Wissenschaftler auch bemüht haben, die Existenz der beiden universellen Komponenten zu erklären, es gibt noch viel zu tun. Moderne Satellitenobservatorien wie WMAP und Plank haben unser Verständnis der beiden Komponenten schrittweise verbessert. Da die beiden Komponenten jedoch nicht mit normaler Materie und Licht wechselwirken können, haben sie die Arbeit der Wissenschaftler erschwert. Nichtsdestotrotz sind Astrophysiker aufgrund ihrer gravitativen Auswirkungen auf Galaxien und ihre Haufen von ihrem Vorhandensein überzeugt. Die Diskrepanzen zwischen den berechneten und den theoretischen Daten zur Beschleunigung des sich ausdehnenden Universums, die mit Hilfe des Hubble-Gesetzes und der Friedman-Theorie erklärt werden, helfen uns ebenfalls, das Vorhandensein von dunkler Materie und dunkler Energie zu beweisen.
Zitierte Werke
Baldi, Marco. Wechselwirkungen zwischen dunkler Energie und dunkler Materie, München: die Ludwig-Maximilians-Universität, 2009. Drucken.
Hernandez, Marco, Tian Ma und Shouhong Wang. “Theorie der Dunklen Energie und der Dunklen Materie”. Journal of Mathematical Study 48. 3 (2015):199-221. Print.
Holcomb, Katherine und John Hawley. Grundlagen der modernen Kosmologie. 2. Auflage. Oxford: Oxford University Press, 2005. Drucken.
Königliche Astronomische Gesellschaft. Schwarze Löcher vertreiben Materie in kosmische Leerräume. 2016. Web.
Springel, Volker. Dunkle Materie und Dunkle Energie. 2016. Web.
Turner, Michael. Dunkle Energie und die neue Kosmologie, Chicago, IL: University of Chicago, 2003. Drucken.