Die Beschleunigungsrelation, die zwischen Spiralgalaxien und irregulären Galaxien gefunden wird, stellt das aktuelle Verständnis der Dunklen Materie in Frage

THE MUFFIN SONG (asdfmovie feat. Schmoyoho) (Februar 2019).

Anonim

In den späten 1970er Jahren fanden die Astronomen Vera Rubin und Albert Bosma unabhängig voneinander, dass sich Spiralgalaxien mit nahezu konstanter Geschwindigkeit drehen: Die Geschwindigkeit von Sternen und Gas innerhalb einer Galaxie nimmt nicht mit dem Radius ab, wie man es von Newtons Gesetzen und der Verteilung des Sichtbaren erwarten würde Materie, bleibt aber annähernd konstant. Solche "flachen Rotationskurven" werden im Allgemeinen unsichtbarer, dunkler Materie, die Galaxien umgibt, zugeschrieben und bieten zusätzliche Anziehungskraft.

Jetzt hat ein Team, das von Forschern der Case Western Reserve University geleitet wird, eine signifikante neue Beziehung in spiralförmigen und irregulären Galaxien gefunden: Die in Rotationskurven beobachtete Beschleunigung korreliert eng mit der von der sichtbaren Masse erwarteten Gravitationsbeschleunigung.

"Wenn Sie die Verteilung von Sternenlicht messen, kennen Sie die Rotationskurve und umgekehrt", sagte Stacy McGaugh, Vorsitzende der Abteilung für Astronomie bei Case Western Reserve und Hauptautor der Forschung.

Der Befund ist konsistent bei 153 spiralförmigen und irregulären Galaxien, von Riesen bis zu Zwergen, solchen mit massiven zentralen Ausbuchtungen oder gar keiner. Es ist auch konsistent unter den Galaxien, die meist Sterne oder meist Gas enthalten.

In einem von der Zeitschrift Physical Review Letters zur Veröffentlichung angenommenen und auf der Preprint-Website arXiv, McGaugh und Co-Autoren Federico Lelli, Astronomie-Postdoktorand bei Case Western Reserve, und James M. Schombert, Professor für Astronomie an der Universität von Oregon, veröffentlichten Artikel argumentieren, dass die Beziehung, die sie gefunden haben, einem neuen Naturgesetz gleichkommt.

Ein Astrophysiker, der die Studie überprüfte, sagte, dass die Ergebnisse zu einem neuen Verständnis der inneren Dynamik von Galaxien führen könnten.

"Galaxienrotationskurven wurden traditionell über eine Ad-hoc-Hypothese erklärt: dass Galaxien von dunkler Materie umgeben sind", sagte David Merritt, Professor für Physik und Astronomie am Rochester Institute of Technology, der nicht an der Forschung beteiligt war. "Die von McGaugh et al. Entdeckte Beziehung stellt eine ernsthafte und möglicherweise fatale Herausforderung für diese Hypothese dar, da sie zeigt, dass Rotationskurven genau durch die Verteilung der normalen Materie allein bestimmt werden. Nichts im Standard-kosmologischen Modell sagt dies voraus, und Es ist fast unmöglich sich vorzustellen, wie dieses Modell modifiziert werden könnte, um es zu erklären, ohne die Hypothese der Dunklen Materie vollständig zu verwerfen. "

McGaugh und Schombert arbeiten seit einem Jahrzehnt an dieser Forschung und in den letzten drei Jahren mit Lelli. Nahinfrarot-Aufnahmen, die vom Spitzer Weltraumteleskop der NASA in den letzten fünf Jahren aufgenommen wurden, ermöglichten es ihnen, die Beziehung herzustellen und dass sie für alle 153 Galaxien bestehen bleibt.

Der Schlüssel ist, dass Nahinfrarotlicht, das von Sternen ausgestrahlt wird, viel zuverlässiger ist als optisches Licht, um Licht in die Masse umzuwandeln, sagte Lelli.

Die Forscher zeichneten die Radialbeschleunigung, die in Rotationskurven beobachtet wurde, die von einer Vielzahl von Astronomen in den letzten 30 Jahren veröffentlicht wurden, gegen die Beschleunigung, die von der beobachteten Verteilung gewöhnlicher Materie in der Spitzer Photometrie & Accurate Rotation Curves-Datenbank des McGaugh-Teams vorhergesagt wurde. Die beiden Messungen zeigten eine einzelne, extrem enge Korrelation, selbst wenn dunkle Materie die Schwerkraft dominieren sollte.

"Es gibt keine intrinsische Streuung, das ist, wie weit sich die Daten im Durchschnitt vom Mittelwert unterscheiden, wenn sie auf einer Grafik aufgetragen werden", sagte McGaugh. "Was für eine kleine Streuung gefunden wird, ist konsistent mit den Sternenmassenverhältnissen, die ein wenig von Galaxie zu Galaxie variieren."

Lelli verglich die Beziehung zu einem lange verwendeten Naturgesetz. "Es ist wie Keplers drittes Gesetz für das Sonnensystem: Wenn man die Entfernung jedes Planeten von der Sonne misst, erhält man die Umlaufzeit oder umgekehrt", sagte er. "Hier haben wir etwas Ähnliches für Galaxien, mit etwa 3000 Datenpunkten."

"In unserem Fall finden wir eine Beziehung zwischen dem, was Sie in der normalen Materie in Galaxien sehen und dem, was Sie in ihrer Gravitation bekommen", sagte McGaugh. "Das ist wichtig, weil es uns etwas Grundlegendes darüber gibt, wie Galaxien funktionieren."

Arthur Kosowsky, Professor für Physik und Astronomie an der Universität von Pittsburgh, war nicht beteiligt, sondern rezensierte die Forschung.

"Das Standardmodell der Kosmologie ist bemerkenswert erfolgreich darin, alles zu erklären, was wir im Universum beobachten", sagte Kosowsky. "Aber wenn es eine einzige Beobachtung gibt, die mich nachts wach hält und mir Sorgen macht, dass wir etwas grundsätzlich falsch haben könnten, dann ist es das."

Er sagte, McGaugh und Mitarbeiter hätten die Skalierungsrelation der Spiralgalaxie seit Jahren stetig verfeinert und diese letzte Arbeit als einen signifikanten Fortschritt bezeichnet, indem sie die Unsicherheit in der Masse in normaler Materie durch die Nutzung von Infrarotbeobachtungen reduziert hätten.

"Das Ergebnis ist eine Skalierungsbeziehung in den Daten ohne einstellbare Parameter", sagte Kosowky. "In der Geschichte der Physik haben ungeklärte Gesetzmäßigkeiten in Daten oft den Weg zu neuen Entdeckungen weisen können."

McGaugh und sein Team drücken an dieser Stelle keine theoretische Interpretation ihrer empirischen Beziehung.

"Die natürliche Schlussfolgerung ist, dass dieses Gesetz von einer universellen Kraft wie einer Modifikation der Schwerkraft wie MOND, der Hypothese der Modifizierten Newtonschen Dynamik des israelischen Physikers Moti Milgrom, herrührt. Es könnte aber auch etwas in der Natur der dunklen Materie wie der Superflüssigkeit sein dunkle Materie von Justin Khoury vorgeschlagen ", sagte McGaugh. "Am wichtigsten ist, dass jede Theorie, die Sie erstellen wollen, dies reproduzieren muss."

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