31.10.2022

Neue Rätsel zur Gravitation

Rätselhafte Entdeckung fordert die Newtonschen Gravitationsgesetze heraus.

Ein internationales Team von Astro­physikerinnen und -physikern hat bei der Analyse bestimmter Sternhaufen eine rätselhafte Entdeckung gemacht. An der Studie war die Universität Bonn maßgeblich beteiligt. Der Befund fordere die Newtonschen Gravitations­gesetze heraus, schreiben die Forschenden in ihrer jüngsten Veröffentlichung. Stattdessen decken sich die Beobachtungen mit den Voraussagen einer alter­nativen Gravitations-Theorie. Diese ist allerdings in Fachkreisen umstritten. 

Abb.: Pavel Kroupa will am Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der...
Abb.: Pavel Kroupa will am Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn neue Fragen zur Gravitation beantworten. (Bild: V. Lannert, U. Bonn)

Die Forschenden untersuchten in ihrer Arbeit die offenen Sternhaufen. Diese entstehen, wenn in einer riesigen Gaswolke innerhalb kurzer Zeit Tausende von Sternen geboren werden. Bei ihrer Zündung blasen die galaktischen Neuan­kömmlinge die Reste der Gaswolke fort. Dabei dehnt sich der Haufen erheblich aus. So entsteht ein lockerer Verbund von einigen Dutzend bis hin zu mehreren tausend Sternen. Die schwachen Gravitations­kräfte, die zwischen ihnen wirken, halten den Haufen zusammen. „Meist überleben offene Sternhaufen nur einige hundert Millionen Jahre, bevor sie sich auflösen“, erklärt Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Dabei verlieren sie regelmäßig Sterne, die sich in zwei Gezeiten-Armen ansammeln. Einen dieser Arme zieht der Haufen bei seiner Reise durch das All wie einen Schwanz hinter sich her. Der andere läuft dagegen wie eine Speerspitze vorneweg.

„Nach den Newtonschen Gravitations­gesetzen unterliegt es dem Zufall, in welchem der Arme ein verlorener Stern landet“, erklärt Jan Pflamm-Altenburg. „Beide Arme müssten also ungefähr dieselbe Zahl von Sternen enthalten. Wir konnten in unserer Arbeit aber erstmals nachweisen, dass das nicht stimmt: In den Haufen, die wir untersucht haben, enthält der vordere Arm stets deutlich mehr Sterne als der hintere.“ Bislang war es kaum möglich, unter den Millionen Sternen in der Nähe eines Haufens diejenigen zu bestimmen, die zu seinen Armen gehören. „Dazu muss man sich von jedem dieser Objekte Geschwin­digkeit, Bewegungs­richtung und Alter anschauen“, sagt Tereza Jerabkova. Sie hat eine Methode entwickelt, dank derer sie die Sterne in den Armen erstmals exakt zählen konnte. „Bislang wurden fünf offene Haufen in unserer Nähe untersucht, darunter vier von uns“, sagt sie. „Bei der Analyse sämtlicher Daten sind wir auf den Widerspruch zur gängigen Theorie gestoßen. Hierfür waren die sehr genauen Vermessungs­daten der Esa-Weltraum­mission Gaia unentbehrlich.“

Die Beobachtungs­daten passen dagegen deutlich besser zu einer These, die in Fachkreisen unter dem Akronym MOND – „Theorie der MilgrOmscheN Dynamik“ – firmiert. „Vereinfacht gesagt, können Sterne einen Haufen laut MOND durch zwei verschiedene Türen verlassen“, erklärt Kroupa. „Die eine führt zum hinteren Gezeitenarm, die andere zum vorderen. Die erste ist aber viel schmaler als die zweite - es ist also unwahr­scheinlicher, dass ein Stern den Haufen durch sie verlässt. Die Newtonsche Gravitations­theorie hingegen sagt voraus, dass beide Türen gleich breit sein müssten.“

Das Team hat die nach MOND zu erwartende Sternen-Verteilung berechnet. „Die Ergebnisse stimmen erstaunlich gut mit den Beobachtungen überein“, sagt Ingo Thies, der maßgeblich an den entsprechenden Simulationen beteiligt war. „Allerdings mussten wir dazu auf relativ einfache Rechen­methoden zurückgreifen. Für detailliertere Analysen der Milgromsche Dynamik fehlt momentan noch das mathematische Rüstzeug.“ Dennoch deckten sich die Simulationen auch an einem weiteren Punkt mit den Beobach­tungen: Sie sagten voraus, wie lange offene Sternhaufen typischerweise überleben sollten. Und diese Zeitspanne ist deutlich kürzer, als nach den Newtonschen Gesetzen zu erwarten wäre. „Das erklärt ein seit langem bekanntes Mysterium“, betont Kroupa. „Nämlich, dass Sternhaufen in nahen Galaxien schneller zu verschwinden scheinen, als sie sollten.“

Die MOND-Theorie ist in der Fachwelt allerdings nicht unumstritten. Denn da in ihr die Newtonschen Gravitations­gesetze unter bestimmten Umständen keine Gültigkeit hätten, sondern abgeändert werden müssten, hätte das weitreichende Konsequenzen auch für andere Bereiche der Physik. „Anderer­seits löst sie viele Probleme, mit denen die Kosmologie heute zu kämpfen hat“, sagt Kroupa. Das Team erforscht nun neue mathe­matische Methoden für noch exaktere Simulationen. Mit ihnen ließen sich dann weitere Belege dafür finden, ob die MOND-Theorie zutrifft oder nicht.

U. Bonn / JOL

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