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Eine Galaxie wie aus dem Ei gepellt

Die dunkle Materie gilt als essenzieller Bestandteil des Universums. Jetzt haben Forscher mit einer Computersimulation gezeigt, dass Galaxien wie die Milchstrasse auch ohne diese Komponente entstanden sein könnten. 

So sieht die simulierte Galaxie nach 1,5 Milliarden Jahren aus. Die blauen Punkte sind junge Sterne, die in das Gas (violett) eingebettet sind.

So sieht die simulierte Galaxie nach 1,5 Milliarden Jahren aus. Die blauen Punkte sind junge Sterne, die in das Gas (violett) eingebettet sind.

Kroupa / Uni Bonn

Unser derzeitiges Weltbild steht und fällt mit der Annahme, dass es im Universum mehr Materie gibt, als wir sehen. Diese dunkle Materie – was immer sich dahinter verbirgt – sorgt durch ihre Gravitationskraft für den Zusammenhalt von Galaxien und Galaxienhaufen. Und sie liess im frühen Universum aus winzigen Dichteunterschieden grossräumige Strukturen entstehen. Allerdings gibt es bis heute Forscher, die in der dunklen Materie nur einen Notnagel sehen. Diesen brauche man nicht, wenn man stattdessen das Gravitationsgesetz modifiziere. Wie weit dieser Ansatz trägt, haben jetzt Forscher der Universitäten Bonn und Strassburg ausgelotet. Zum ersten Mal ist es ihnen gelungen, mit dem Computer die Entstehung von Galaxien ohne dunkle Materie zu simulieren.

Zu schnelle Sterne

Einer Veränderung des Newtonschen Gravitationsgesetzes sind enge Grenzen gesetzt. Denn in unserem Sonnensystem hat sich dieses Gesetz bestens bewährt. Anders sieht das aus, wenn man sich grössere Gebilde anschaut. Schon lange ist bekannt, dass die Sterne in den Aussenbereichen einer Spiralgalaxie schneller um das Zentrum rotieren, als man es aufgrund der sichtbaren Materie erwarten würde. Die dunkle Materie verspricht Rettung. Denn die zusätzliche Gravitation hält die schnell rotierenden Sterne im Zaum und verhindert, dass sie aus der Galaxie geschleudert werden.

In den 1980er Jahren erkannte der israelische Physiker Mordehai Milgrom, dass eine Modifikation der Newtonschen Bewegungsgesetze das Gleiche bewirkt. Nimmt man an, dass die Gravitation in den Aussenbereichen einer Galaxie etwas stärker ist, als es das Newtonsche Gravitationsgesetz nahelegt, so lässt sich die höhere Rotationsgeschwindigkeit der Sterne auch ohne dunkle Materie erklären. Diese Modifikation darf allerdings nur bei sehr kleinen Beschleunigungen wirksam werden. Sonst geraten die Verhältnisse in unserem Sonnensystem durcheinander.

Seit Jahren stehen sich die Befürworter der dunklen Materie und die Anhänger der sogenannten MOND-Theorie (das steht für Modified Newtonian Dynamics) unversöhnlich gegenüber. Die Auseinandersetzung trägt fast die Züge eines Glaubensstreits – mit den Anhängern der MOND-Theorie in der Rolle der Häretiker.

Gegen die MOND-Theorie sind in den letzten Jahren viele Argumente vorgebracht worden. Eines lautet, diese Theorie könne vielleicht die Rotationskurven von Spiralgalaxien erklären, nicht aber, wie Galaxien unter den Bedingungen im frühen Universum entstanden seien. Genau hier hakt die Arbeit von Nils Wittenburg und Pavel Kroupa von den Universitäten Bonn und Prag ein. Zusammen mit Benoit Famaey von der Universität Strassburg haben die beiden Forscher simuliert, wie sich eine ausgedehnte rotierende Gaskugel unter dem Einfluss der modifizierten Gravitation zusammenballt, Sterne bildet und zu einer Spiralgalaxie wird – und zwar ohne dunkle Materie.

Fast wie echt

Die simulierten Galaxien hätten grosse Ähnlichkeit mit den Spiralgalaxien, die man tatsächlich beobachte, sagt Kroupa. Ähnlich wie die Milchstrasse besässen sie eine zentrale Ausbuchtung sowie eine alte und flache Scheibe, in der die Dichte der Sterne und des Gases nach aussen hin exponentiell abfalle. Rotierende Spiralgalaxien seien mit Abstand die häufigsten Galaxien im Universum, so Kroupa. Dass die Simulation automatisch solche Galaxien produziere und nicht etwa die viel selteneren elliptischen Galaxien, sei ein grosses Plus.

Zum Vergleich verweist Kroupa auf Simulationen auf der Grundlage der dunklen Materie. Hier entstehen grosse Galaxien durch die wiederholte Verschmelzung von kleineren Galaxien. Da hierbei die Scheibenstruktur der Galaxien tendenziell zerstört werde, sei es in diesen Simulationen schwierig, Spiralgalaxien mit ausgedehnten und alten Scheiben zu erzeugen, so Kroupa. Das gelinge nur, wenn man komplexe physikalische Prozesse berücksichtige, etwa die Aufheizung des Gases, Supernovaexplosionen oder die Rückkopplung von Schwarzen Löchern. In der MOND-Simulation sei das Ergebnis hingegen mehr oder weniger unabhängig von solchen Feinheiten.

Perfekt sind die Galaxien, die Kroupa und seine Mitarbeiter simuliert haben, allerdings nicht. Tendenziell haben sie zu wenig Drehimpuls. Die Forscher führen das auf die Anfangsbedingungen der Simulation zurück. Dass die Materie anfangs in Form von rotierenden Gaskugeln vorgelegen habe, sei eine grobe Näherung, sagt Kroupa. In Zukunft wolle man von realistischeren Anfangsbedingungen ausgehen. Dennoch spricht Kroupa von einem historischen Schritt.

Nicht so überraschend

Nicht ganz so euphorisch fällt das Urteil von Volker Springel aus. Der wissenschaftliche Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching begrüsst, dass die Gruppe um Kroupa unorthodoxe Wege einschlägt, um die Entwicklung von Galaxien zu simulieren. Das Ergebnis findet er aber nicht so überraschend. Wenn man die Entstehung von Galaxien mit der normalen Newtonschen Gravitation simuliere, entstünden ebenfalls Galaxien mit einer Scheibe, in der die Dichte der Sterne und des Gases nach aussen hin exponentiell abfalle. Der einzige Unterschied sei, dass der Bereich der Scheibe mit exponentiell abfallender Dichte mit modifizierter Gravitation grösser sei. Ob das tatsächlich auf die stärkere Gravitation oder eher auf die gewählten Anfangsbedingungen zurückzuführen sei, ist für Springel nicht so klar wie für Kroupa. Dieser beharrt darauf, dass nur die MOND-Theorie ein realistisches Dichteprofil und eine korrekte Rotationskurve für alle Scheibengalaxien liefere.

Im Übrigen widerspricht Springel der Aussage, dass Simulationen mit dunkler Materie Schwierigkeiten hätten, Spiralgalaxien zu produzieren. Diese Aussage werde von Anhängern der MOND-Theorie immer wieder vorgebracht. Sie entspreche aber nicht mehr dem heutigen Stand der Forschung. Springel verweist auf die jüngsten Ergebnisse der Illustris-TNG-Simulation.

Diese Simulation fusst auf dem «Lambda Cold Dark Matter»-Modell der Kosmologie und beginnt mit einer homogenen Verteilung von Gas und dunkler Materie, der kleine Dichtefluktuationen aufgeprägt werden. Wie man von der Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung weiss, entspricht das den Verhältnissen, wie sie 400 000 Jahre nach dem Urknall herrschten. Unter dem Einfluss der (normalen) Gravitation und unter kräftiger Mitwirkung der dunklen Materie entwickeln sich aus diesen winzigen Dichteunterschieden im Laufe der Zeit Galaxien. Die simulierten Galaxien besässen nicht nur eine ähnliche Form wie reale Galaxien, sagt Springel. Die Simulation könne auch die Verteilung der Galaxien im Raum erstaunlich gut reproduzieren. Springel sieht darin eine Bestätigung für das «Lambda Cold Dark Matter»-Modell. Es gebe derzeit kein anderes kosmologisches Modell, mit dem sich die Entwicklung der Galaxien fast bis zum Urknall zurückverfolgen lasse.

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