Der neue MOND

In den Theorien von Newton und Einstein nimmt die gravitative Anziehungskraft eines Objekts mit dem Quadrat der Entfernung ab. Sterne, die ihre Bahnen in einer Galaxie ziehen, sollten also umso weniger Anziehungskraft spüren und entsprechend langsamer kreisen, je weiter sie vom Zentrum der Galaxie entfernt sind. Im inneren Bereich von Galaxien fallen die Geschwindigkeiten der Sterne tatsächlich so ab, wie es die quadratische Abnahme der Schwerkraft vorhersagt. Doch ab einer gewissen Distanz tritt eine Veränderung auf: Anstatt weiter abzufallen, bleiben die Geschwindigkeiten nahezu konstant. Diese "Abflachung" der Rotationskurven von Galaxien, entdeckt in den 1970er Jahren von der Astronomin Vera Rubin, wird allgemein als zentrales Beweisstück für die Existenz der Dunklen Materie angesehen. Nach der gängigen Vorstellung hüllen gewaltige "Halos" aus Dunkler Materie die Galaxien ein und verpassen so den weiter außen kreisenden Sternen eine zusätzliche gravitative Beschleunigung.

Woraus bestehen diese Halos? Das hat man mit immer neuen und besseren Detektoren weltweit zu ergründen versucht. Als wahrscheinlichste Kandidaten für die Teilchen, die die Dunkle Materie ausmachen, gelten einerseits die WIMPs (schwach wechselwirkende massereiche Teilchen oder englisch "weakly interacting massive particles") und leichtgewichtigere Axionen. Doch bislang hat kein einziges Experiment etwas in dieser Hinsicht Passendes entdeckt.

Bereits in den 1970er und 1980er Jahren begannen einige Forscher, darunter Milgrom, nach Alternativen zu suchen. Viele der frühen Versuche, die Gravitation abzuändern, ließen sich leicht widerlegen. Doch Milgrom stieß auf ein Erfolgsrezept: Wenn die auf einen Stern wirkende Gravitationsbeschleunigung unter einen bestimmten Wert sinkt – genau 0,00000000012 Meter pro Sekundenquadrat, das ist 100 Milliarden-mal schwächer als die Schwerebeschleunigung auf der Erdoberfläche – dann, so postulierte Milgrom, wechselt die Gravitation von der quadratischen Abnahme zu etwas, das mehr einer linearen Abnahme entspricht. "Es gibt also eine Art magischer Grenze", sagt McGaugh, "bis zu der alles normal und newtonisch ist. Doch jenseits dieser Grenze wird es seltsam. Aber die Theorie sagt uns nicht, wie man von dem einen Regime in das andere gelangt."

Laden... © X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical and lensing map: NASA/STScI, Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing map: ESO WFI (Ausschnitt) Wenn Dunkle Materie sichtbar wird | Dieses zusammengesetzte Bild zeigt den Galaxienhaufen 1E 0657-56, auch bekannt als Bullet-Cluster (auf Deutsch: Geschosshaufen). Dieser Haufen entstand aus der Kollision zweier großer Galaxienhaufen – eines der energiereichsten im Universum bekannten Ereignisse seit dem Urknall.



Heißes Gas – sichtbar gemacht im Röntgenstrahlungsbereich – leuchtet im Bild als zwei pinkfarbene Klumpen, die den größten Anteil der gewöhnlichen Materie des Galaxienhaufens enthalten. Die bläulichen Regionen zeigen, wo die Astronomen die meiste Masse des Haufens finden. Die Verteilung dieser Masse wird mit Hilfe des Gravitationslinseneffekts bestimmt. Bei diesem Effekt wird das Licht der entfernten Objekte von im Lichtweg liegender Materie abgelenkt. Der größte Massenanteil des Galaxienhaufens (blau) ist deutlich von der gewöhnlichen Materie (pink) getrennt. Dies gibt einen direkten Hinweis darauf, dass Dunkle Materie beinahe die gesamte Masse des Haufens ausmacht.

Und weil Physiker keine Magie mögen, vor allem aber weil weitere kosmologische Beobachtungen sich leichter mit Dunkler Materie erklären ließen als mit MOND, verwarfen sie den alternativen Ansatz. Dass er jetzt zurück im Gespräch ist, liegt daran, dass Verlindes Theorie einen Anhaltspunkt liefert, wie der Zaubertrick der MOND-Theorie funktioniert.

Verlinde, 54 Jahre alt, rotwangig und mit grauer Lockenmähne, hat sich in Fachkreisen um technisch anspruchsvolle Berechnungen in der Stringtheorie verdient gemacht. Die Ideen hinter seiner neuesten Arbeit skizzierte er erstmals 2010. Dabei baute er auf einer inzwischen berühmten, Monate zuvor veröffentlichten Arbeit auf, in der er die Gravitation rundheraus für nichtexistent erklärt hatte. Verlinde übernahm gleich mehrere Überlegungen, die eben erst den Ideenschmieden der theoretischen Physik entsprungen waren, verflocht sie miteinander und gelangte zu dem Ergebnis, die Gravitation sei ein emergenter thermodynamischer Effekt, der in engem Zusammenhang mit einer Zunahme der Entropie – also der Unordnung – steht. Damals wie heute sind sich Experten uneins, was sie davon halten sollen. Unbestritten waren seine Veröffentlichungen jedoch Anreiz für fruchtbare Diskussionen.

Verlindes damalige Auffassung von emergenter Gravitation hat sich inzwischen als unhaltbar erwiesen. Er folgte jedoch der gleichen Intuition, die andere Theoretiker zur Formulierung der modernen holografischen Beschreibung emergenter Gravitation und Raumzeit führte – womit sie einen Ansatz weiterentwickelten, den Verlinde jetzt wiederum in seine neue Arbeit eingebaut hat.

Ein Universum als Hologramm

In diesem Rahmen ist die biegsame, gekrümmte Raumzeit und alles, was in ihr enthalten ist, eine geometrische Repräsentation von reiner Quanteninformation – also von Daten, gespeichert in Qubits. Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit zwei Zustände – 0 und 1 – gleichzeitig einnehmen. Zudem können sie miteinander verschränkt sein, so dass der Zustand eines Qubits den Zustand eines zweiten Qubits bestimmt und umgekehrt, ganz unabhängig davon, wie weit die beiden Qubits voneinander entfernt sind.

Nach welchen mathematischen Regeln sich aus der Struktur der Verschränkung von Qubits eine damit assoziierte Raumzeit-Geometrie ergeben könnte, ist Gegenstand aktueller Forschung. Eine Anordnung von Qubits, die jeweils mit ihren nächsten Nachbarn verschränkt sind, könnte beispielsweise einem ebenen Raum entsprechen. Aus komplizierteren Verschränkungsmustern entstünden Materieteilchen wie Quarks oder Elektronen, deren Massen die Raumzeit krümmen und so die Gravitation erzeugen. "Dieser holografische Ansatz ist gegenwärtig der beste Weg, um Quantengravitation zu verstehen", sagt Mark Van Raamsdonk, Physiker an der University of British Columbia in Vancouver, der einflussreiche Arbeiten auf diesem Gebiet durchgeführt hat.

Auch mathematisch lassen sich solche holografischen Universen inzwischen immer besser beschreiben – allerdings nur in solchen Universen, deren Geometrie an die Kunstwerke von M. C. Escher erinnert, den so genannten Anti-de-Sitter-Räumen, kurz AdS. Wir leben allerdings in einem Raum mit de-Sitter-Geometrie. Und die erweist sich nach wie vor als harte Nuss. Womöglich sind es sogar gerade die Eigenschaften unseres de-Sitter-Raums, die die Illusion der Dunklen Materie hervorrufen. Das zumindest ist eine Spekulation in Verlindes Arbeit.

De-Sitter-Raumzeiten wie unser eigenes Universum dehnen sich aus, während wir in große Entfernungen blicken. Damit das passieren kann, muss der Raumzeit ein kleiner Schuss Hintergrundenergie – oft als Dunkle Energie bezeichnet – zugeführt werden, die dann die Raumzeit auseinandertreibt. Verlinde modelliert die Dunkle Energie als thermische Energie, als sei unser Universum durch Aufheizung in einen angeregten Zustand gebracht worden. Im Gegensatz dazu entspräche ein AdS-Raum einem System im Grundzustand. Für Verlinde könnte diese thermische Energie mit einer "langreichweitigen Verschränkung" zwischen Qubits zusammenhängen, als seien diese Qubits durch die Erwärmung in Aufruhr versetzt worden, wodurch sich die verschränkten Paare weit voneinander entfernt hätten. Die Anwesenheit von Materie, so argumentiert er weiter, zerstöre die langreichweitige Verschränkung. Dadurch verschwindet sozusagen Dunkle Energie in den Regionen der Raumzeit, in denen sich Materie befindet. Die Dunkle Energie versucht jedoch wieder, in diese Regionen einzudringen und übt so eine Art elastischer Rückwirkung auf die Materie aus, die äquivalent zu einer gravitativen Anziehung ist.

Durch die langreichweitige Natur der Verschränkung spielt diese elastische Rückwirkung eine umso wichtigere Rolle, je größer das betroffene Volumen der Raumzeit ist. Verlinde hat ausgerechnet, dass dieser Effekt die Rotationskurven von Galaxien exakt am magischen Punkt von Milgroms ursprünglicher MOND-Theorie von der Vorhersage Newtons und Einsteins abweichen lässt.

Verlindes Idee sei "definitiv ein wichtiger Richtungsweiser", meint Van Raamsdonk. Gleichwohl sei es noch zu früh zu entscheiden, ob alles in Verlindes Arbeit – die von der Quanten-Informationstheorie über Thermodynamik, kondensierte Materie und Holografie bis zu Astrophysik reicht – wie gewünscht zusammenpasst. Wie dem auch sei, meint der Forscher, "ich finde seine Überlegungen interessant, und mein Eindruck ist, dass uns allein schon der Versuch weiterbringt, das alles auf seine Stimmigkeit zu überprüfen".

Brian Swingle, der an der Harvard University und der Brandeis University über Holografie forscht, kritisiert allerdings, Verlinde fehle ein konkretes Modelluniversum ähnlich jenem, das andere Forscher im AdS-Raum konstruieren. Das gebe ihm zu viel Spielraum für unbewiesene Spekulationen. "Aber um fair zu sein: Wir sind zwar weitergekommen, aber in einem Bereich, der für unser eigenes Universum weniger relevant ist", gesteht er mit Blick auf den AdS-Raum. "Wir müssen uns mit Universen befassen, die mehr wie unser eigenes sind. Deshalb hoffe ich, dass Verlindes neue Arbeit uns ein paar zusätzliche Hinweise liefert, in welche Richtung wir gehen müssen."

Dunkle Materie im Zwielicht

Vielleicht fängt Verlinde mit seinem neuen Paper den Zeitgeist ein wie schon 2010 mit seiner Arbeit über entropische Gravitation. Vielleicht liegt er auch vollkommen falsch. Alles steht und fällt mit der Frage, ob seine verbesserte MOND-Theorie Phänomene reproduzieren kann, an denen die alte gescheitert war und die deshalb als Beleg für die Existenz Dunkler Materie gelten.

Eines dieser Phänomene ist der Bullet Cluster ("Geschosshaufen"), in dem zwei Galaxienhaufen frontal kollidieren. Die sichtbare Materie der beiden Haufen prallt aufeinander, aber der Gravitationslinseneffekt zeigt ein anderes Bild: Ein großer Teil der Dunklen Materie, die nicht mit der sichtbaren Materie wechselwirkt, scheint einfach durch den Ort des Zusammenstoßes hindurchgewandert zu sein. Einige Physiker sehen darin einen zweifelsfreien Beweis für die Existenz der Dunklen Materie. Doch Verlinde ist davon überzeugt, dass seine Theorie auch die Beobachtungen des Bullet Clusters erklären kann. Der gravitative Effekt der Dunklen Energie sei in die Raumzeit eingebettet und deshalb weniger deformierbar als die Materie. Das würde dazu führen, dass sich beides im Verlauf der Kollision voneinander trennt.

Der krönende Erfolg für Verlindes Theorie wäre jedoch, wenn sie auch die mutmaßlichen Spuren der Dunklen Materie in der kosmischen Hintergrundstrahlung erklären könnte. Bei der kosmischen Hintergrundstrahlung handelt es sich um eine Art Babyfoto des Universums selbst. Darin ist erkennbar, wie die Materie in der kosmischen Frühzeit wiederholt unter dem Einfluss der Schwerkraft kontrahierte, dann aber durch Selbstkollision wieder expandierte und so eine ganze Reihe von Spitzen und Senken in der Hintergrundstrahlung hinterließ. Da die Dunkle Materie außer über die Schwerkraft nicht wechselwirkt, wäre sie nur kontrahiert, aber nicht wieder expandiert – was die Amplituden der Spitzen exakt so verändern würde, wie man es in der Hintergrundstrahlung beobachtet. Verlinde erwartet, dass seine Theorie auch hier funktioniert – und zwar wiederum, weil Materie und der gravitative Effekt der Dunklen Energie voneinander unabhängig sind und sich entsprechend unterschiedlich verhalten. "Wobei ich dazusagen muss, dass ich das alles noch nicht komplett durchgerechnet habe", räumt er ein.

Aber auch die Verfechter der Dunklen Materie sind jetzt aufgerufen, sich mit den neu aufgetauchten Gegenargumenten auseinanderzusetzen. Es gilt, eine Erklärung für den von McGaugh und Kollegen entdeckten universellen Zusammenhang zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und der Menge an sichtbarer Materie von Galaxien zu finden.

Schon im Oktober 2016 erläuterten gleich zwei Astronomenteams in ihrer Erwiderung auf eine Vorabveröffentlichung der Arbeit von McGaugh und seinen Kollegen, wie sich dieser Zusammenhang ihrer Ansicht nach mit der Existenz Dunkler Materie in Einklang bringen lasse. Sie gehen davon aus, dass die Menge an Dunkler Materie in einem Galaxienhalo eindeutig festlegt, wie viel sichtbare Materie eine Galaxie bei ihrer Entstehung erhält. Wenn dem so ist, dann würde die Rotationsgeschwindigkeit – obwohl sie von der Summe aus Dunkler und sichtbarer Materie abhängt – sowohl mit der Menge an Dunkler wie mit der Menge an sichtbarer Materie korrelieren, da beide nicht unabhängig voneinander sind.

Doch Computersimulationen der Galaxienentstehung deuten keineswegs daraufhin, dass die Anteile an Dunkler und sichtbarer Materie voneinander abhängen. Die Fachleute sind nun damit beschäftigt, entsprechende Feinabstimmungen an den Simulationen vorzunehmen. Nach Aussage von Arthur Kosowsky von der University of Pittsburgh, der an solchen Simulationen arbeitet, lässt sich allerdings noch nicht sagen, ob die Simulationen alle 153 Beispiele des universellen Zusammenhangs im Datensatz von McGaugh und seinen Kollegen reproduzieren können.

Wenn nicht, dann gerät das Paradigma der Dunklen Materie ins Wanken. "Es handelt sich hier offensichtlich um eine Sache, mit der wir uns sehr sorgfältig befassen müssen", sagt Kathryn Zurek.

McGaugh ist jedenfalls skeptisch. Selbst wenn sich die Simulationen passend trimmen lassen, sei es doch ziemlich unglaubwürdig, dass Dunkle Materie und sichtbare Materie wie zwei Verschwörer an jedem Ort des Universums exakt die Vorhersage der MOND-Theorie erfüllen – per Zufall. "Wenn jemand zu Ihnen kommt und behauptet, im Sonnensystem gelte gar nicht das quadratische Abstandsgesetz, sondern ein kubisches Abstandsgesetz, aber zusätzlich sei Dunkle Materie gerade so verteilt, dass es wie ein quadratisches Abstandsgesetz aussähe – dann würden sie ihn für verrückt erklären", sagt er. "Aber genau so etwas verlangen wir hier für die Dunkle Materie."

Mit Blick auf die beachtlichen indirekten Hinweise auf Dunkle Materie und den fast vollständigen Konsens unter Physikern, was ihre Existenz angeht, sei es zwar immer noch recht wahrscheinlich, dass es die Dunkle Materie gebe, findet Zurek. "Davon abgesehen sollte man sich aber immer fragen, ob man nicht einfach einem Trend hinterherläuft", ergänzt die Forscherin. "Selbst wenn dieses Paradigma alle Phänomene erklären kann, sollten wir prüfen, ob da nicht doch etwas anderes vorgeht."