Wie gross ist die Sternendichte in der Milchstrasse und warum reicht die Masse nicht aus um sie zusammenzuhalten?

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3 Antworten

Hallo SRT2007,

Das sind ganz viele Fragen. Deshalb wird die Antwort etwas länger. Sorry.

Ich fange mal an mit der Dunklen Materie

Zuerst verlinke ich Dir einmal einen Artikel des Astrophysikers Florian Freistetter, in dem Deine Frage sehr schön beantwortet wird:

http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/06/21/dunkle-welten-iii-rotierende-galaxien-und-dunkle-materie/

Der Artikel ist Teil 3 einer 6teiligen Artikelserie, in der Florian die Dunkle Materie wirklich schön, verständlich und umfassend erläutert. Bei Interesse kannst Du Dir die Artikel ja einmal alle durchlesen...

... und dann versuche ich mich mal selber an einer Erklärung =D

Die Schwerkraft sorgt im Universum dafür, dass unser Sonnensystem oder die Milchstraße zusammenbleibt. Die Planeten drehen ihre Runden um die Sonne, weil die Sonne sie anzieht. Eine Planetenbahn liegt genau im Potentialtopf aus "potentieller Energie" (aus der Schwerkraft), aus kinetischer Energie (aus der Bahngeschwindigkeit) und dem Drehimpuls den Planeten. Das macht die Planetenbahnen stabil.

Weil zu den äußeren Planeten die Anziehung der Sonne weniger wird (quadratisch mit dem Abstand), nimmt auch die Bahngeschwindigkeit der Planeten ab. Den Zusammenhang beschreibt das Keplergesetz, dem die Planeten genau folgen.

So. Bei der Milchstraße würde man jetzt zwar nicht genau denselben Geschwindigkeitsverlauf erwarten, aber doch ganz ähnlich. Anders ist bei der Milchstraße (und allen anderen Spiralgalaxien), dass die anziehende Masse nicht einfach in der Mitte konzentriert ist, wie beim Sonnensystem. Weil Sterne, die das galaktische Zentrum in größerem Abstand umrunden von mehr Masse angezogen werden als Sterne, die weiter innen ihre Runden drehen, sinkt die erwartete Rotationsgeschwindigkeit der Sterne etwas langsamer mit dem Abstand vom galaktischen Zentrum als bei der Milchstraße. Aber sinken sollte sie.

Nur: Messungen an sehr vielen Galaxien zeigen uns: Die Sterne umrunden ihre galaktischen Zentren schneller als wir erwarten. Und zwar wirklich deutlich schneller. Die Rotationsgeschwindigkeit sinkt nach außen hin kaum ab.

Das ist erst mal eine überraschende Tatsache, die von Vera Rubin da in den 1970ern entdeckt wurde. Man hat da eigentlich nur 3 Möglichkeiten zur Erklärung: Entweder die Sterne werden von deutlich mehr Masse angezogen als wir sehen können - oder unsere Schwerkraftformeln stimmen nicht für große Entfernungen. Oder beides.

Du ahnst es jetzt schon: Wenn da deutlich mehr Masse anzieht, wir sie aber nicht sehen, dann nennen wir das mal als Arbeitstitel "Dunkle Materie". Eigentlich ist der Name blöd. Weil Dunkle Materie ist nicht "dunkel", sie ist durchsichtig. Es sollte "Unsichtbare Materie" oder "Durchsichtige Materie" heißen.

Was gemeint ist: Die Rotationskurven der Galaxien (siehe das Bild in meinem Link oben) legen nahe, dass da draußen noch Materie ist, die nicht mit Licht in Wechselwirkung tritt und die wir deshalb in keinem Bereich des elektromagnetischen Spektrums nachweisen können. Sie hat aber Masse und macht sich über die Gravitation bemerkbar.

Gibt es denn noch andere Beobachtungsdaten, die für diese DM sprechen?

Ja! Mittlerweile sogar jede Menge. Und mittlerweile geben uns diese verschiedensten Hinweise sogar ein einigermaßen klares Bild, nach was wir da suchen.

Nachden Entdeckungen von Vera Rubin hat man z.B. ältere Beobachtungen von Zwicky ausgegraben, der dasselbe schon einmal für die Bewegungen von Galaxien in Galaxienclustern entdeckte: Auch die ganzen Galaxien bewegen sich schneller umeinander, als man erwarten würde. Auch Zwicky hat damals gemutmaßt, dass da für uns unsichtbare Materie im Spiel sein könnte.

Neuere Daten gibt es aber auch:

Im sogenannten Bullet-Cluster sehen wir 2 Galaxien, die sich vor "Kurzem" durchdrungen haben. Dadurch wurde das interstellare Wasserstoffgas aus den Galaxien gerissen und treibt jetzt hinter den Galaxien her - ein bissi wie ein Schweif. Nun können wir aber aus Gravitationslinseneffekten sehr schön messen, wo denn die Massenschwerpunkte sitzen.

Und das überraschende Ergebnis ist: Die Masse sitzt gar nicht da, wo wir die meiste Masse sehen, sondern ist schon weiter auseinander geflogen - so, als ob sie gar nicht über elektromagnetische Wechselwirkungen abgebremst worden wäre. Das ist exakt dieselbe Eigenschaft für DM, die wir auch bei den rotierenden Galaxien gefunden haben!

Überhaupt können wir über Gravitationslinseneffekte an vielen Stellen Massen nachweisen, die wir nicht sehen. Es gibt einige Aufnahmen von Galaxienclustern, die es uns sogar ermöglichen, die Verteilung dieser DM im Raum zu messen.

Ein anderes Argument kommt aus der Kosmologie: Die Galaxien haben sich nach dem Urknall schneller gebildet, als wir es nach der sichtbaren Materie her eigentlich erwarten würden. Die Strukturbildung und ihre Geschwindigkeit weist vielmehr darauf hin, dass sich zusätzliche, nicht sichtbare Massen schnell "verklumpt" haben - und die sichtbare Materie dann mitgezogen haben.

Der letzte Baustein ergibt sich aus den winzigen Schwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung in den WMAP-Daten. In diesen Daten entdecken wir einen Peak in den Multipolmomenten, der darauf hinweist, dass hier eine Resonanz da ist für eine Masse, die nicht elektromagnetisch wechselwirkt.

Was Physiker hier so überzeugend finden, ist also, dass wir Daten aus allen möglichen Bereichen und über sehr viele Größenskalen haben, die sich wieder und immer wieder über dieselbe Annahme erklären lassen: Dass da draußen Materie ist, deren Masse wir nachweisen, die wir aber nicht sehen können.

Was käme denn da in Frage?

An dieser Stelle fällt gerne das scherzhafte "Machos oder Wimps". Machos („Massive Astrophysical Compact Halo Object“) wären massive für uns nicht sichtbare Objekte. Ein schwarzes Loch zum Beispiel. Oder Planeten ohne Stern. WIMPs, die "Weakly Interacting Massive Particles" wären dagegen eher Elementarteilchen. Das Neutrino wurde diskutiert, das ja wie wir seit einigen Jahren wissen eine von Null verschiedene Ruhemasse hat.

Jetzt wissen wir aber leider auch aus der Hintergrundstrahlung, wie viel normale ("baryonische") Materie es im Universum gibt. Wir wissen aus anderen Daten, ob die Teilchen der DM eher langsam oder eher schnell unterwegs wären. Und in der Summe kommt leider raus: Das Gros der DM ist nicht normale Materie und auch die Neutrinos reichen zur Erklärung nicht. Wir suchen da wirklich nach etwas, was wir noch nicht kennen.

"Heiße" Kandidaten sind aber bislang unentdeckte Elementarteilchen, allen voran das sogenannte "Neutralino".

So. Zu guter letzt muss ich noch was zu den beiden oben erwähnten anderen Möglichkeiten sagen: Brauchen wir überhaupt DM oder brauchen wir ein modifiziertes Gravitationsgesetz?

Ansätze dafür gibt es in Form von MOND, bzw. der relativistischen Variante davon: TeVeS von Bekenstein.

Die Erklärung ist jetzt "ein bissi" kompliziert ;-)

Ich verweise einmal auf diesen Vortrag:

Und dort auf die entscheidende Graphik, die Carroll bei Minute 53 zeigt. Es geht um den dritten Peak in der Graphik, der in den Messdaten in etwa genauso groß rauskommt, wie der zweite. (Also die beiden rechts neben dem ganz großen). Ohne jetzt genau zu erklären, was man da sieht: Der beste Fit an die Messdaten (mit Fehlerbalken) stammt nach wie vor aus dem ΛCMD-Modell mit Dunkler Materie. Die Kurven der modifizierten Gravitation können diesen dritten Peak nur dann nachbilden, wenn man auch in diese Modelle zusätzliche, unsichtbare Masseansammlungen einführt. Oder anders ausgedrückt: Wenn wir uns die DM auch in die modifizierte Gravitation wieder durch die Hintertür reinholen.

Carroll kommt daher zum Fazit: “MOND-like theories don’t replace dark matter so much as they make it much more complicated.”

Natürlich könnte es sein, dass wir unser Gravitationsgesetz irgendwann mal modifizieren müssen. Mit den bisherigen Vorschlägen werden wir die DM aber nicht los.

2) Dunkle Energie

Weil der Text jetzt schon recht lange ist, möchte ich hierzu auf eine andere Antwort von mir verweisen:

https://www.gutefrage.net/frage/was-versteht-man-unter-dunkle-energie?foundIn=unknown\_listing

3) Überlichtgeschwindigkeit

Zuletzt noch ein paar Sätze zu Deiner Frage:

und kommt uns die Überlichtgeschw. nur so vor, weil alles so weit weg ist?

Das ist ein Projektionseffekt, insofern: Ja. Weder wir, noch die entfernten Galaxien bewegen sich mit Überlichtgeschwindigkeit durch den Raum. Der Raum zwischen uns und dort dehnt sich aber mit einer bestimmten Rate aus. So wie ein Gummiband, das man auseinanderdehnt. Zwei sehr weit entfernte Punkte auf dem Gummiband entfernen sich dann schneller voneinander als zwei Punkte, die näher beisammen sind.

Grüße

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Kommentar von SRT2007
31.12.2015, 22:01

"Messungen an sehr vielen Galaxien zeigen uns: Die Sterne umrunden ihre galaktischen Zentren schneller als wir erwarten. Und zwar wirklich deutlich schneller. Die Rotationsgeschwindigkeit sinkt nach außen hin kaum ab."

Ja weil das mega Ding da in der Mitte, Sagitarius A, doch noch immer das Sagen hat und auch rotiert. Gott sei Dank nimmt die Schwerkraft ab sonst wär der Hamster in der mitte noch dicker :) und ich denk mir bei dem Teil dann immer: so eine Sonne is ja nicht grad klein und hat auch eine grosse Anziehungskraft und wenn dann ein paar Milliarden oder mehr k.a. sich um so ein Schwarzes Loch tummeln, könnten die ja so eine art Band bilden quasi die Spiralarme die ja noch immer mit der Mitte verbunden sind. Der Stern zieht an dem, der an dem, usw,... aber der Hamster rennt immer gleich schnell,...

"Zwei sehr weit entfernte Punkte auf dem Gummiband entfernen sich dann schneller voneinander als zwei Punkte, die näher beisammen sind."

Die Ausdehnungsrate bleibt ja gleich also müssten sich alle zueinander gleich schnell entfernen, wobei der Abstand immer grösser wird. glaub ich :)

Auf jeden Fall möchte ich mich für deine "sehr" ausführliche Antwort bedanken und bitte, sehe meinen Kommentar nicht als Richtigstellung auf deine Antwort. Ich komm halt mit der Dunklen Materie nicht klar,... oh und danke für den Link zur Dunklen Energie,...den zieh ich mir auch noch rein.

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Was meinst Du damit, dass die Sternendichte nicht ausreicht, um die Milchstraße zusammen zu halten? Sie hält doch zusammen, so wie die Planeten unseres Sonnensystems an unsere Sonne gebunden sind. Das bedeutet ja nicht, dass sie sich berühren müssen, sondern nur, dass die Fliehkraft aufgrund der Umlaufgeschwindigkeit im Gleichgewicht mit der Gravitation zum jeweiligen Massenzentrum ist.

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Kommentar von SRT2007
30.12.2015, 17:59

 ja dass schon,aber es heisst ja es wird die dunkle materie benötigt um sie zusammenzuhalten oder liege ich da komplett daneben?

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Die Objekte in einer Galaxie werden ja nicht "mitgeschleift", sondern durch die Gravitation zusammengehalten. Bei der Anwendung der Newtonschen Gesetze "fehlt" da Materie. Die sog. MOND-Hypothese ist m.E. eine einfache und plausible Erklaerung fuer diese Abweichungen, jedenfalls plausibler als die Annahme einer geheimnisvollen dunklen Materie, die man nicht sehen und nicht messen kann.

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Kommentar von uteausmuenchen
30.12.2015, 20:20

In der Physik geht es aber nicht darum, ob einem eine Erklärung lieber ist oder ob sie einfacher ist - SONDERN darum, ob sie alle(!) Beobachtungsdaten erklären kann.

Und da scheitert MOND ohne zusätzliche DM eben bei der Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung.

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