Rotationsdynamik von Galaxien

Die Rotation von Sternen in Galaxien wie beispielsweise unserer Milchstraße ist rätselhaft. Denn eigentlich sollte die Umlaufgeschwindigkeit zum Rand der Galaxie hin abnehmen. Tatsächlich aber bleibt die Geschwindigkeit der Sterne in den mittleren und äußeren Bereichen der Galaxien konstant. Der Grund für dieses Phänomen könnte unsichtbare Materie sein, die eine Schwerkraft ausübt. Aber obwohl verschiedene Forschungseinrichtungen seit Jahrzehnten danach suchen, wurde die „Dunkle Materie“ bisher nicht gefunden und es ist nicht bekannt, aus was sie besteht. Vor diesem Hintergrund sind die Physiker Dmitri Ryutov, Dmitry Budker und Victor Flambaum Überlegungen nachgegangen, ob vielleicht andere Einflüsse die Rotationsdynamik von Galaxien erklären könnten. Sie untersuchten dazu, welche hypothetische Wirkung die Masse von Photonen, also Lichtteilchen, ausüben würde. 

Selbst eine verschwindend kleine Photonmasse könnte, so die Überlegungen, eine Wirkung auf große, astrophysikalische Phänomene ausüben. Dieser Idee gingen Ryutov, Experte der Plasmaphysik, Budker vom Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und Victor Flambaum, Fellow am Gutenberg Forschungskolleg der Johannes Gutenberg-Universität Mainz JGU nach. Doch wie kann die extrem geringe Photonmasse Einfluss auf Galaxien nehmen? Der grundlegende Mechanismus für die Überlegungen bezieht sich auf die zusätzlichen Zentripetalkräfte, die durch elektromagnetische Feldstärken infolge des Proca-Mechanismus zustande kommen.

„Der Effekt, den wir hier theoretisch untersuchen, ist also nicht ein Effekt aufgrund zusätzlicher Schwerkraft“, erklärt Budker. Der hier diskutierte Effekt könnte parallel zu den Wirkungen der Dunklen Materie auftreten. Er könnte sogar – bei gewissen Annahmen – die Notwendigkeit von Dunkler Materie für die Beschreibung von Rotationskurven vollständig überflüssig machen. Die Rotationskurven geben die Beziehung zwischen der Umlaufgeschwindigkeit der Sterne zu ihrer Entfernung vom Zentrum der Galaxie wieder. „Wir gehen von einer bestimmten Photonmasse aus und können zeigen, dass diese Masse ausreichen würde, um in einer Galaxie zusätzliche Kräfte zu erzeugen, die in etwa groß genug sind, um die Rotationskurven zu erklären“, so Budker. „Das war für uns ein außerordentlich spannendes Ergebnis.“

Die Physiker gingen aber noch weiter. Sie haben sich die Bildung von Protosternen angeschaut und bemerkt, dass ihre Theorie noch andere Implikationen hat. Langlebige, leichte Sterne mit einer Masse von wenigen Sonnenmassen – also auch unsere Sonne – hätten nach dieser Theorie hoch elliptische Umlaufbahnen. „Diese Vorhersage stimmt offensichtlich nicht mit den Beobachtungen überein, das heißt wir können nicht alles erklären.“ Der Effekt der Proca-Kräfte kann nur für einen Teil der Besonderheiten, die bei den Rotationskurven zu sehen sind, verantwortlich gemacht werden. „Wir sehen die Photonmasse derzeit nicht als die Lösung für das Rotationskurven-Problem. Aber sie könnte ein Teil der Lösung sein“, fasst Budker zusammen. „Wir möchten eine offene Geisteshaltung bewahren, solange wir noch nicht wissen, was die Dunkle Materie wirklich ist.“

JGU Mainz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. D. Ryutov et al.: A Hypothetical Effect of the Maxwell–Proca Electromagnetic Stresses on Galaxy Rotation Curves, ApJ 871, 218 (2019); DOI: 10.3847/1538-4357/aaf63a
• Arbeitsgruppe Dmitry Budker, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
• Dmitri Ryutov, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore