James-Webb-Weltraumteleskop entdeckt Hinweise auf alternative Gravitationstheorie

 (thedebrief.org)
4 Punkte von GN⁺ 2024-11-17 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Beobachtungen uralter Galaxien durch das JWST legen nahe, dass sich Galaxien im frühen Universum schneller als erwartet gebildet haben könnten, was zu einem erneuten Vergleich zwischen der Standarderklärung Lambda-CDM und den Vorhersagen von MOND führt
  • Das Standardmodell der Dunklen Materie geht davon aus, dass frühe Galaxien klein und lichtschwach beginnen und langsam wachsen, doch die beobachteten Galaxien wirken hell, groß und bereits weitgehend ausgebildet
  • Stacy McGaugh von der Case Western Reserve University und Kollegen sagten bereits 1998 voraus, dass sich Galaxien auch ohne Dunkle Materie schnell bilden könnten, und sehen die aktuellen JWST-Daten näher an dieser Vorhersage
  • MOND ist eine Theorie, die durch eine Modifikation von Newtons zweitem Gesetz die Abweichungen in den Rotationskurven von Galaxien erklären will, verfügt aber noch nicht über einen vollständigen Rahmen, der mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vereinbar ist
  • Lambda-CDM ist ein breit unterstütztes Modell, das die Expansionsrate des Universums und seine nahezu flache Struktur erklärt; einige moderne astronomische Messungen stützen weiterhin die Hypothese der Dunklen Materie

JWST-Beobachtungen erschüttern das Szenario der frühen Galaxienentstehung

  • Das James Webb Space Telescope beobachtet die fernsten Regionen des Universums und untersucht dabei uralte Galaxien aus der Frühzeit des Kosmos
  • Ein Forschungsteam der Case Western Reserve University ist der Ansicht, dass Scans uralter Galaxien, die das JWST gesammelt hat, den Vorhersagen der weithin akzeptierten Cold Dark Matter-Theorie Lambda-CDM widersprechen
  • Die Beobachtungswerte werden als Fall interpretiert, der besser zur alternativen Gravitationstheorie Modified Newtonian Dynamics (MOND) passt
  • Falls sich dieses Ergebnis bestätigt, müssten Astronomen und Kosmologen das seit Langem umstrittene MOND erneut prüfen

Das von Lambda-CDM erwartete langsame Wachstum

  • Das Modell Lambda-CDM geht davon aus, dass Dunkle Materie für die Erklärung der Struktur des Universums essenziell ist
  • In diesem Modell treibt der Gravitationseinfluss der Dunklen Materie die Bildung von Galaxien und großskaligen Strukturen an
  • Uralte Galaxien im frühen Universum sollten sich über kosmische Zeit hinweg unter dem Einfluss Dunkler Materie allmählich zusammenfinden und daher klein und lichtschwach sein
  • McGaugh zufolge müsste, wenn Lambda-CDM zutrifft, die zusätzliche Gravitation der Dunklen Materie kleine Materiefragmente um frühe Galaxien herum langsam ins Zentrum ziehen
  • Doch die von JWST aus noch weiter zurückliegender Vergangenheit beobachteten Galaxien erscheinen hell, groß und bereits weitgehend ausgebildet

Wie MOND schnelle Strukturbildung erklärt

  • MOND ist eine Theorie, die 1983 erstmals vom israelischen Physiker Mordehai Milgrom vorgeschlagen wurde
  • Die Theorie modifiziert Newtons zweites Gesetz, um Abweichungen in den Rotationskurven von Galaxien zu erklären, ohne Dunkle Materie einzuführen
  • Diese Modifikation von MOND wird in Bereichen mit sehr geringer Beschleunigung wichtig, etwa in den Randbereichen des Universums, die JWST beobachtet
  • McGaugh verfasste 1998 gemeinsam mit Federico Lelli, Jay Franck, James Schombert und weiteren Forschern eine Arbeit, in der eine schnellere Galaxienentstehung ohne Abhängigkeit von Dunkler Materie beschrieben wurde
  • Nach dieser Hypothese sammelt sich galaktische Materie rasch, dehnt sich zusammen mit dem Universum aus und kollabiert dann unter der Schwerkraft, sodass früh große und helle Strukturen entstehen

Vergleich von JWST-Daten mit früheren Vorhersagen

  • McGaugh und seine Kollegen sehen die JWST-Daten näher an den Vorhersagen der MOND-Befürworter als am Lambda-CDM-Modell
  • Als Beispiel nennt McGaugh, dass die MOND-basierte Vorhersage von R H Sanders genauer mit den Beobachtungen übereinstimme als die Vorhersage von Mo, Mao und White, die Lambda-CDM unterstützen
  • Dass eine Tatsache nicht zu einem Modell passt, bedeutet nicht sofort, dass dieses Modell verworfen werden muss; wenn Beobachtungsdaten jedoch nicht ausreichend erklärt werden können, kann ein theoretischer Rahmen geschwächt werden
  • Einige moderne astronomische Messungen stützen weiterhin die Hypothese der Dunklen Materie

Lambda-CDM genießt weiterhin Unterstützung

  • Auch wenn MOND einige JWST-Beobachtungen gut zu erklären scheint, wird Lambda-CDM weiterhin breit unterstützt
  • Lambda-CDM hat seit den 1920er-Jahren die Expansionsrate des Universums präzise vorhergesagt
  • Auch Hinweise auf die kosmologische Konstante, die die fortgesetzte Expansion des Universums antreibt, sind im Rahmen von Lambda-CDM enthalten
  • Das Universum ist, wie von Lambda-CDM gefordert, nahezu flach, auch wenn leichte Abweichungen ein Bereich bleiben, der weiter untersucht werden muss
  • Die breitere astrophysikalische Gemeinschaft sieht in Lambda-CDM ein Modell, das viele Prüfungen bestanden hat und einen konsistenten Rahmen zum Verständnis des Universums bietet

Offene Aufgaben und die Veröffentlichung

  • McGaugh räumt ein, dass die Aufgabe, eine Theorie zu finden, die sowohl mit der Allgemeinen Relativitätstheorie als auch mit MOND vereinbar ist, noch nicht gelöst wurde
  • Die vom JWST gezeigten Ergebnisse passen nicht zu der Erwartung, dass große Galaxien im nahen Universum aus sehr kleinen Fragmenten hervorgegangen sein sollten
  • McGaugh sagt, der Kern der wissenschaftlichen Methode bestehe darin, Vorhersagen zu machen und zu prüfen, welche davon zutrifft
  • Die zugehörige Arbeit Accelerated Structure Formation: The Early Emergence of Massive Galaxies and Clusters of Galaxies wurde am 12. November 2024 in The Astrophysical Journal veröffentlicht

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2024-11-17
Meinungen auf Hacker News

  • Ich halte diesen Artikel selbst wohlwollend gelesen für irreführend. Er sagt sinngemäß, dass „Scans alter Galaxien, die das JWST gesammelt hat, den Vorhersagen des am breitesten akzeptierten ΛCDM zu widersprechen scheinen“. Aber ΛCDM sagt nicht voraus, wie Galaxien aussehen sollten, sondern wie viel Masse in kollabierten Strukturen steckt und dass Halos aus Dunkler Materie hierarchisch wachsen.
    Beim JWST dagegen sieht man Licht und muss daraus die tatsächlichen physikalischen Eigenschaften des Systems ableiten. Schon sehr früh gab es Ergebnisse, dass man selbst mit einer theoretischen Obergrenze – also unter der Annahme, dass sämtliches Gas in einer kollabierten Struktur in Sterne umgewandelt wird – eine Leuchtkraftfunktion erhält, die mehrere Größenordnungen über den JWST-Beobachtungen liegt: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023MNRAS.521..497M/abstra...
    Es gibt innerhalb von ΛCDM also durchaus genug Spielraum für frühe Galaxien, die hell, groß und massereich erscheinen. Mit den derzeitigen JWST-Daten zum frühen Universum ist das Ganze meiner Meinung nach zu stark vom gewählten Modell der Galaxienentstehung abhängig, um ΛCDM überzeugend zu stützen oder zu widerlegen.

    • Eine Erklärung wie „zu stark vom gewählten Modell der Galaxienentstehung abhängig, um ΛCDM überzeugend zu stützen oder zu widerlegen“ war vor Webb überhaupt nicht die Art, wie ΛCDM dargestellt wurde. Damals galt es als gut bewertete Theorie, und es gab die Erwartung, dass neue Daten – ähnlich wie beim Nachweis des Higgs – die Grenzen besser einschränken und den nächsten Schritt ermöglichen würden.
      Tatsächlich wirkt es jetzt aber eher wie ein Durcheinander; man hat nicht gesehen, was man erwartet hatte, und zieht sich nun auf „aber es ist doch nicht exakt bewiesen, dass ΛCDM falsch ist?“ zurück. Das heißt nicht, dass ΛCDM falsch ist, und auch nicht, dass MOND richtig ist. Aber es ist definitiv ein Moment eines Kuhn’schen Paradigmenwechsels, in dem breitere Ideen ernsthaft geprüft werden sollten.
    • Es ist seltsam, daraus ein Problem zu machen, dass das JWST nur Licht sieht. Theorien der Dunklen Materie wurden allesamt auf Basis von Objekten aufgebaut, die Licht emittieren; es gibt keinen solchen Gegensatz zwischen der JWST-Methode und anderen Methoden.
      Das JWST abzuwerten, weil es nur Licht sehen kann, ist ungefähr so, als würde man Galileo abwerten, weil er nur ein Teleskop bauen konnte. Es wäre schön, wenn wir uns zum Untersuchungsobjekt teleportieren und mehr Informationen sammeln könnten, aber in der Realität müssen wir uns an die Regeln der Realität halten. Außerdem ist das Argument „empfindlich gegenüber dem Modell der Galaxienentstehung“ meiner Meinung nach das Pferd von hinten aufzäumen und daher nicht stichhaltig.

  • Der Punkt, an dem ich bei MOND immer hängen bleibe, ist die Allgemeine Relativitätstheorie. Ich weiß, dass Gravitation nicht newtonsch ist und dass das Abstandsquadratgesetz nicht unverändert gilt. Ein auf dem Abstandsquadratgesetz basierendes Gravitationsmodell ist schlicht ein falsches Modell.
    Der in einem anderen Kommentar verlinkte Beitrag https://tritonstation.com/new-blog-page/ ist hervorragend und argumentiert, dass die Allgemeine Relativitätstheorie im Bereich niedriger Beschleunigungen nie getestet wurde und falsch sein könnte. Aber wir wissen auch, dass MOND bei hohen Beschleunigungen falsch ist. Wenn es nicht beide Seiten abdeckt, ist es meiner Meinung nach schwer, es als Verbesserung von GR zu sehen. Das klingt vielleicht etwas scharf formuliert, aber Forschung zu modifizierter Gravitation halte ich durchaus für wertvoll – nur eben nicht für eine Universallösung.

    • MOND wurde nicht als Verbesserung von GR vorgeschlagen. Wie der Name sagt, war es ursprünglich eine Theorie der newtonschen Mechanik.
      Es gibt auch relativistische Versionen von MOND wie TeVeS https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tensor%E2%80%93vector%E2%80%..., aber auch die haben weiterhin diverse Probleme.
    • Auch die Allgemeine Relativitätstheorie passt unter Extrembedingungen nicht zur Quantenmechanik; wenn also nicht die Quantenmechanik falsch ist, dann hat auch GR faktisch falsche Teile. Deshalb ist es möglicherweise nicht angemessen, GR wie ein Evangelium zu behandeln.
      Insbesondere scheint MOND GR ebenfalls nur unter Extrembedingungen zu verändern, und „passt nicht zusammen“ könnte in der Praxis auch bedeuten, dass die Mathematik schwierig ist und Physiker noch nicht genug daran gearbeitet haben. Es ist unwahrscheinlich, dass sich durch die Annahme einer MOND-artig modifizierten GR ändert, wie GPS funktioniert. Daher reicht die Aussage „GR hat die Prüfung durch Zeit und Ingenieurpraxis bestanden“ meiner Meinung nach nicht aus, um MOND vollständig zu widerlegen.
    • Für die Aussage, Gravitation sei nicht newtonsch und das Abstandsquadratgesetz gelte nicht, braucht es Belege. Außerhalb extremer Masse- und Energieumgebungen besteht nahezu Konsens, dass Gravitation über sehr viele Stellen hinweg so funktioniert, wie Newton sie beschrieben hat.
      Das heißt nicht, dass die Allgemeine Relativitätstheorie falsch ist, sondern dass Gravitation auf galaktischen Skalen newtonsch wirkt und GR-Effekte extrem klein sind.
    • Ich bin kein Physiker, sehe aber an vielen Stellen denselben Fehler. Das Schalentheorem gilt nicht für Scheiben oder Galaxien.
      Selbst in fortgeschrittenen Texten wird immer wieder vereinfacht, indem Materie innerhalb eines Radius wie eine Punktmasse im Zentrum behandelt und die Gravitation der Masse außerhalb des Radius als sich gegenseitig aufhebend ignoriert wird. Diese Vereinfachung funktioniert für Kugelschalen homogener Dichte oder kugelförmige Körper, aber nicht für Scheiben oder Ringe – also nicht für Galaxien.
    • Für MOND gibt es durchaus relativistische Verallgemeinerungen, die sich bei niedrigen Energien auf MOND-Dynamik reduzieren. Ich bin allerdings kein Experte auf diesem Gebiet; mein Verständnis ist, dass solche Theorien eher nach Ad-hoc-Lösungen aussehen und wegen geringer Berechenbarkeit nicht ernst genommen werden.
      Die „eigentliche Arbeit“ bei MOND scheint größtenteils in der klassischen Form stattzufinden, und das wirkt wie ein ziemlich grobes Foul. Man kann eine große Theorie auf einer Vermutung aufbauen, aber man sollte sich bemühen, diese Vermutung zu beweisen.

  • Erst heißt es „erstaunliche Belege“, später dann konditional: „Die Beobachtungswerte scheinen die Grundlage von MOND zu stützen, was Astronomen und Kosmologen dazu veranlassen könnte, diese seit Langem umstrittene alternative Gravitationstheorie erneut zu prüfen.“ Ich weiß nicht, was konditionale Belege sein sollen; vielleicht übersehe ich das Gesamtbild, aber diese Art zu schreiben ist selbst wohlwollend betrachtet ungenau.

    • Typischer populärwissenschaftlicher Journalismus mit klickorientierter Überschrift. Besser das Paper lesen.
    • Diese Belege müssten mathematisch und empirisch überprüft werden, und sie sind von der Art, bei der man argumentieren könnte, dass eine derzeit randständige Theorie besser passt als die dominante Theorie.
      In der Physik gibt es so viele Unbekannte, dass die Gegenseite leicht antworten kann: „Deine Theorie erklärt XYZ auch noch nicht; wahrscheinlich müssen wir unsere Theorie nur etwas anpassen.“ Nach meinem Amateurverständnis ist das eine Frage, über die vernünftige Menschen durchaus unterschiedlicher Meinung sein können.
    • Es gibt noch keinen Konsens und keine reproduzierbaren Kennzahlen. Zu sagen: „Schauen wir uns die andere Seite genauer an“, ist völlig legitim.

  • Ich verstehe nicht, warum man Artikel mit so einer reißerischen Überschrift teilt. Kein Wunder, dass der Ruf des Wissenschaftsjournalismus leidet. Solche Artikel undermines massiv die Bemühungen derjenigen, die Wissenschaft korrekt vermitteln wollen.

    • Ohne diesen Artikel und die HN-Diskussion hätte ich MOND nicht gekannt, und es ist zumindest eine interessante Theorie.
    • Auf jeder Stufe, vom Autor des Artikels bis zum Verbreitungsweg, setzen die Anreize genau darauf, und sie belohnen es mit Geld, Klicks, Einfluss, Bekanntheit, Punkten und Aufmerksamkeit. Wenn man das stoppen will, muss man die Anreize beseitigen.

  • Ich folge dem Hauptautor Stacy McGaugh über seinen Blog; dort postet er aktuelle Forschung und Gedanken zur Debatte Dunkle Materie vs. MOND: https://tritonstation.com/new-blog-page/
    Seine Argumentation ist ziemlich überzeugend und vergleichsweise klar. Ich bin kein Astrophysiker, habe aber zwei Physikabschlüsse, und Theorien zur Dunklen Materie kamen mir immer unzureichend vor. Solange es keinerlei Evidenz für Kausalität gibt, lässt sich Dunkle Materie nur als „die Stellen, an denen man Materie platzieren würde, wenn man könnte, um die Gravitationstheorie stimmig zu machen“ beschreiben, und aus grundlegender wissenschaftlicher Sicht ist das völlig verkehrt herum. Je empfindlicher die Beobachtungsinstrumente werden, desto genauer scheinen die auf modernen MOND-Annahmen basierenden Vorhersagen zu werden.

    • Wenn Theorie und Beobachtung nicht übereinstimmen, ist nicht im Voraus festgelegt, ob man die Theorie ändern muss oder ob man in den Beobachtungen etwas übersehen hat. Im 19. Jahrhundert passte die Uranusbahn nicht zu den Vorhersagen der Newtonschen Theorie; unter der Annahme, dass Newtons Theorie richtig sei und wir in den Beobachtungen etwas übersehen hätten, wurde die Position von Neptun berechnet, vorhergesagt und er wurde tatsächlich gefunden.
      Umgekehrt wich auch die Merkurbahn von den Vorhersagen der Newtonschen Theorie ab; in diesem Fall wurde ein noch unbeobachteter Planet nahe der Sonne postuliert, doch die tatsächliche Lösung war eine Modifikation der Gravitationstheorie, nämlich die Allgemeine Relativitätstheorie. Die ART sagte die Perihelpräzession der Merkurbahn von 43 Bogensekunden pro Jahrhundert gegenüber der Newtonschen Vorhersage exakt voraus, und auch Vorhersagen wie gravitative Lichtablenkung, Schwarze Löcher und Gravitationswellen wurden bestätigt. Es gibt also eindeutig eine Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtung, aber ob die Lösung eine Theorieänderung oder eine neue Form von Materie ist, weiß man nicht im Voraus; Letzteres als Hypothese aufzustellen und zu sehen, wie weit man damit kommt, ist nicht unwissenschaftlich. Die Schwierigkeit besteht darin, einen theoretischen Rahmen zu schaffen, der die erfolgreichen Vorhersagen der ART bewahrt und zugleich die Rotationskurven von Galaxien erklärt.
    • Dunkle Materie verhält sich grundlegend anders als baryonische Materie. Die gesamte Materiemenge im Universum, also die Summe aus Dunkler Materie und baryonischer Materie, lässt sich durch die beobachteten Häufigkeiten der Baryogenese begrenzen, und Dunkle Materie beeinflusst auch die relativen Amplituden der Peaks im kosmischen Mikrowellenhintergrund anders.
      Soweit ich sehe, war MOND außerhalb der Modellierung von Galaxien-Rotationskurven kaum erfolgreich. Die Skepsis gegenüber Dunkler Materie im Vergleich zu MOND wirkt auf mich immer seltsam. Dunkle Materie erfordert nicht viel neue Physik, im Grunde nur die Ergänzung des Standardmodells um ein neues Teilchen, während die meisten MOND-Theorien die Lorentz-Invarianz verletzen, was eine deutlich radikalere Abweichung von der etablierten Physik ist. Ausgefeiltere MOND-Theorien, die wie TeVeS die Lorentz-Invarianz erhalten, wirken im Grunde wie Theorien Dunkler Materie, nur in MOND-Sprache verpackt.
    • Ich halte diesen Ansatz nicht unbedingt für unredlich. Genau so sucht man nach Planeten: Es gibt eine unerwartete Abweichung in der Bewegung eines Planeten oder Sterns, und sie ließe sich erklären, wenn dort drüben ein Planet wäre. Dann schaut man nach, und tatsächlich ist dort ein Planet.
    • Normalerweise verstehe ich „Dunkle Materie“ als Kürzel für die Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtung. Die Erklärung könnte tatsächlich dunkle Materie sein, oder sie könnte durch eine völlig unerwartete Beobachtung oder eine Änderung der Theorie gelöst werden.

  • Ich wünschte, Wissenschaftsjournalisten würden MOND nicht als Stellvertreter für alle Theorien verwenden, in denen MOND als Grenzfall niedriger Krümmung auftritt. MOND selbst ist nicht kovariant und hat viele bekannte Probleme, daher ist es offensichtlich ein ungeeigneter Ausgangspunkt.
    Ausgereiftere Theorien aus der Familie der Allgemeinen Relativitätstheorie reproduzieren MOND-artiges Verhalten, funktionieren aber besser und wirken plausibler. Um zumindest unnötige MOND-Debatten zu vermeiden, sollte man statt MOND den Begriff modifizierte Gravitation oder MOG verwenden.

  • Falls jemand wissen möchte, was MOND genau bedeutet: Es gibt einen Wikipedia-Eintrag dazu: https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics

  • Sean Carrolls Artikel über MOND ist hier: https://www.preposterousuniverse.com/blog/2011/02/26/dark-ma...
    Diese Erklärung wirkt auf mich überzeugender.

  • Ich warte darauf, dass Angela Collier ein Video zu diesem Thema macht. Vermutlich werden ihr viele Leute diesen Artikel schicken. MOND ist entgegen der PR in der Kosmologie tatsächlich ein Nischengebiet.

  • Ich frage mich, ob es eine quantisierte Version von MOND gibt. Ich weiß nicht, ob die erhöhte Beschleunigung daher kommt, dass quantisierte Gravitationseinheiten noch in Entfernungen eine Kraft ausüben, in denen die Kraft eigentlich kleiner als ein „Gravitationsquant“ sein müsste, oder ob Quantisierung auf sehr großen Distanzen eher eine Obergrenze statt einer Untergrenze erzeugt.
    Wenn Gravitation wie Photonen irgendein Teilchen oder eine fundamentale Quantisierung hat und grundsätzlich auch über sehr große oder „unendliche“ Entfernungen wirkt, frage ich mich, ob eine Art Quantisierungs-Untergrenze oder ein Quantisierungsband plausibler wäre. Oder ob man annimmt, dass die Quantisierung der Gravitation eine Grenze für die Reichweite der Anziehung setzt, beziehungsweise ob man sich in der Quantengravitation vorstellt, dass der Anteil der zwischen Objekten wechselwirkenden „gravitons“ abnimmt. Ich frage aus Unkenntnis und würde gern wissen, was ein graviton in Theorien wie MOND oder ΛCDM bedeutet.