Supercomputersimulationen von Galaxien zeigen, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie möglicherweise nicht die einzige Möglichkeit ist, zu erklären, wie die Schwerkraft funktioniert oder wie sich Galaxien bilden. Die neue Chamäleontheorie ist eine mögliche Alternative.
Aus der neuen Studie, ein computer-simuliertes Bild einer Galaxie, von der Seite gesehen. Rechts in rot-blauer Farbe sehen Sie die Gasdichte in der Scheibe der Galaxie, wobei die Sterne als helle Punkte dargestellt sind. Links sehen Sie die Kraftänderungen im Gas innerhalb der Scheibe, wobei die dunklen zentralen Bereiche den üblichen Kräften der Allgemeinen Relativitätstheorie und die hellen gelben Bereiche den verstärkten (modifizierten Kräften) entsprechen. Bilder über Christian Arnold / Baojiu Li / Durham University.
Seit dem frühen 20. Jahrhundert dominierte Einsteins Gravitationstheorie - die allgemeine Relativitätstheorie genannt - die Theorien und Berechnungen der Kosmologen, die die Funktionsweise unseres gesamten Universums erklären. Die allgemeine Relativitätstheorie wurde immer wieder nachgewiesen, zuletzt mit dem ersten direkten Bild eines Schwarzen Lochs. Nun, Physiker an der Durham University im Vereinigten Königreich sagen, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie möglicherweise nicht die richtige ist nur Art und Weise zu erklären, wie die Schwerkraft funktioniert oder wie sich Galaxien bilden. Sie hatten dramatische Forschungserfolge mit einem alternativen Modell für die Schwerkraft - f (R)-gravity - eine Chamäleontheorie genannt, weil sie in ihren Worten "das Verhalten je nach Umgebung ändert". Sie sagen, diese Chamäleontheorie sei eine Alternative zur allgemeinen Relativitätstheorie, um die Bildung von Strukturen im Universum zu erklären. Es könnte auch helfen, die Dunkle Energie besser zu verstehen, eine mysteriöse Substanz, die die Expansionsrate des Universums beschleunigen soll.
Die Bilder auf dieser Seite wurden am 8. Juli 2019 von den Physikern Christian Arnold, Matteo Leo und Baojiu Li vom Institut für Computergestützte Kosmologie der Universität Durham veröffentlicht. Sie sind das Ergebnis aktueller Computersimulationen, die auf dem DiRAC Data Centric System der Durham University ausgeführt wurden. Die Simulationen zeigen, dass sich Galaxien wie unsere Milchstraße auch bei unterschiedlichen Gravitationsgesetzen noch im Universum bilden können. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass theoretische Berechnungen mit Hilfe der Chamäleontheorie den Erfolg der allgemeinen Relativitätstheorie relativ reproduzieren kleiner Maßstab unseres Sonnensystems. Das Durham-Team hat nun gezeigt, dass diese Theorie realistische Simulationen von ermöglicht großflächige Strukturen wie unsere Milchstraße. Christian Arnold, Co-Hauptautor der Forschung, sagte:
In der Chamäleontheorie können die Gesetze der Schwerkraft modifiziert werden, um die Auswirkungen von Schwerkraftänderungen auf die Galaxienbildung zu testen. Durch unsere Simulationen haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass selbst bei einer Änderung der Schwerkraft die Bildung von Scheibengalaxien mit Spiralarmen nicht verhindert wird.
Unsere Forschung bedeutet definitiv nicht, dass die allgemeine Relativitätstheorie falsch ist, aber es zeigt, dass dies nicht der einzige Weg sein muss, um die Rolle der Schwerkraft in der Evolution des Universums zu erklären.
Die Ergebnisse werden im Fachjournal veröffentlicht Natur-Astronomie.
Aus der neuen Studie ein computer-simuliertes Bild einer Galaxie, von oben gesehen. Bild über Christian Arnold / Baojiu Li / Durham University.
Eine Aussage dieser Forscher erklärte mehr über ihre jüngste Studie:
Die Forscher untersuchten die Wechselwirkung zwischen der Gravitation in der Chamäleontheorie und supermassiven Schwarzen Löchern, die sich im Zentrum von Galaxien befinden. Schwarze Löcher spielen eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von Galaxien, da die Wärme und das Material, die sie beim Verschlucken der umgebenden Materie abgeben, das zur Bildung von Sternen erforderliche Gas verbrennen und die Sternentstehung effektiv stoppen können.
Die Wärmemenge, die von Schwarzen Löchern ausgestoßen wird, ändert sich durch die Änderung der Schwerkraft und beeinflusst die Entstehung von Galaxien. Die neuen Simulationen zeigten jedoch, dass sich trotz der durch die Anwendung der Chamäleontheorie verursachten Schwerkraftänderung immer noch Galaxien bilden konnten.
Diese Physiker sagten, ihre Arbeiten könnten auch Aufschluss über unser Verständnis der beobachteten sich beschleunigenden Expansion des Universums geben. Wissenschaftler glauben, dass diese Expansion von dunkler Energie getrieben wird, und die Durham-Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse ein kleiner Schritt zur Erklärung der Eigenschaften dieser Substanz sein könnten. Der Forschungsko-Leiter Baojiu Li kommentierte:
In der Allgemeinen Relativitätstheorie erklären die Wissenschaftler die beschleunigte Expansion des Universums durch die Einführung einer mysteriösen Form von Materie, die als dunkle Energie bezeichnet wird. Die einfachste Form kann eine kosmologische Konstante sein, deren Dichte räumlich und zeitlich konstant ist. Alternativen zu einer kosmologischen Konstante, die die beschleunigte Expansion durch Modifikation des Gravitationsgesetzes erklären, wie die f (R) -Gravitation, werden jedoch auch in Anbetracht dessen, wie wenig über die Dunkle Energie bekannt ist, häufig in Betracht gezogen.
Die Durham-Forscher sind wie Einstein theoretische Physiker. Als Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zum ersten Mal bewiesen wurde - während einer totalen Sonnenfinsternis von 1919 -, wurde Einstein in den Ruhm eines Rockstars katapultiert. Nun ist die allgemeine Relativitätstheorie von grundlegender Bedeutung für die moderne Kosmologie. Der nächste Schritt für die Chamäleontheorie wäre ebenfalls, sie durch Beobachtungen zu testen und hoffentlich zu bestätigen. Es besteht kein Zweifel, dass beobachtende Astronomen bald im Einsatz sein werden, um ihre eigenen Tests für die neue Chamäleontheorie zu erstellen und sie vielleicht zu beweisen. Wenn das passiert, wird es super spannend!
Albert Einstein im Jahr 1912. Er veröffentlichte seine allgemeine Relativitätstheorie im Jahr 1915. Die Theorie wurde im Jahr 1919 bestätigt.
Fazit: Die neue Chamäleontheorie hat das Potenzial, eine alternative Gravitationstheorie zu werden, die mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zusammenarbeitet. Neuere Computersimulationen zeigen, dass die Theorie verwendet werden kann, um großräumige Strukturen (Galaxien) in unserem Universum wiederherzustellen.