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Sind Newtons Gravitationsgesetze falsch?

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Sonne und Erde in einem Netz aus Schwerkraft

Diese Sternhaufen bewegen sich wirklich sonderbar und wirbeln unser Verständnis von Schwerkraft ordentlich durcheinander. Wissenschaftler überlegen nun sogar, ob Newtons Gravitationsgesetze überhaupt noch gültig ist. Oder ob jetzt die Stunde einer umstrittenen Gravitations-Alternative geschlagen hat. 

Astrophysiker stehen vor einem echten Rätsel, das Newtons Gravitationsgesetze ins Wanken bringt: Sie haben einen Sternhaufen beobachtet, der sich ganz und gar nicht an die Regeln der Physik hält. Denn die Verteilung der Sterne in dem Sternhaufen machen aus Sicht der Wissenschaftler überhaupt keinen Sinn, sofern man sich an Newtons Theorien hält. 

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Was ist ein Sternhaufen?

Bevor wir dieses wirklich seltsame Phänomen der falschen Bewegung von Sternhaufen weiter untersuchen, müssen wir erst einmal klären, was Sternhaufen überhaupt sind. Ganz platt gesagt: Sternhaufen sind Knubbel aus Sonnen. Sternhaufen sind Gebiete, in denen eine extrem hohe Dichte an Sternen vorherrscht. Die Sterne sind meist mehr oder weniger gleichzeitig in derselben Staub- und Gaswolke entstanden. Diese interstellare Molekülwolke ist zum Beispiel aus irgendwelchen Gründen kollabiert. Dadurch wurde es immer heißer in ihrem Inneren, immer dichter und immer heißer und plötzlich haben sich dann an der Stelle ganz viele Baby-Sonnen entzündet. Fertig ist ein Sternhaufen. 

Es gibt sogenannte offene Sternhaufen, da sind die Sterne meist noch relativ jung, bis zu einigen hundert Millionen Jahren, und sie befinden sich in den Spiralarmen der Milchstraße. Ihr kennt bestimmt die Plejaden, die man im Herbst und Winter perfekt am Himmel sehen kann. Die sind ein offener Sternhaufen. Und dann gibt es die alten Kugelsternhaufen, die um die zehn Milliarden Jahre alt sind und die sich in den äußeren Bereichen der Galaxis befinden, im sogenannten Halo.

die Plejaden
Wunderschön am Himmel: der Sternhaufen der Plejaden

Sternhaufen verhalten sich seltsam

Und die Sterne in Sternhaufen bleiben aufgrund ihrer eigenen Gravitation nah beieinander. Sie ziehen sich gegenseitig an. Diese Sternhaufen verhalten sich aber nun laut einer neuen Studie aus der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society absolut nicht regelkonform.

Sternhaufen verlieren regelmäßig Sterne, die sich dann in zwei sogenannten Gezeiten-Armen ansammeln. Welche Sterne zu einem Schweif eines Sternhaufens gehören, ist oftmals gar nicht so leicht zu bestimmen. Dafür brauchen die Forscher jede Menge Daten über das Alter der Sterne, der Richtung, in der sie sich bewegen und die Geschwindigkeit. 

Gezeitenarme von Sternhaufen

Hilfe bekommen sie von dem Weltraumteleskop GAIA, das die Bewegungen der Sterne in der Milchstraße misst und auch Aufschluss über die Verteilung von Sternen in Gezeiten-Armen geben kann. Ein Gezeiten-Arm befindet sich vor dem Sternhaufen, ein anderer Arm dahinter. Stellt euch vor, ihr habt einen leckeren Berliner, und in beide Seiten steckt ihr jeweils einen Zahnstocher rein. Der Berliner ist euer Sternhaufen. Die beiden Zahnstocher sind die Gezeiten-Arme. So weit, so lecker. 

Ein Gezeiten-Arm fliegt also immer vor dem Sternhaufen her. Der andere Gezeitenarm wird hinter dem Berliner, ähm, Sternhaufen, hergezogen. Der Wissenschaftler Jan Pflamm-Altenburg sagt dazu: „Nach den Newtonschen Gravitationsgesetzen unterliegt es dem Zufall, in welchem der Arme ein verlorener Stern landet“. Heißt für uns: In beiden Gezeitenarmen müssten sich gleich viele Sterne befinden. Und jetzt kommt es: Das ist nicht der Fall. Pflamm-Altenburg sagt weiter: „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.” Also, hatte Newton wohl irgendwie unrecht. Denn das Verhalten dieser Sterne widerspricht seiner Theorie von Gravitation.

Porträt von Isaac Newton
Isaac Newton: Stimmt seine Theorie von Gravitation noch?

Newtons Gravitationsgesetze

Aber was besagen Newtons Garavitationsgesetze überhaupt? Schauen wir mal ein paar Jahre zurück. Da formulierte Isaac Newton im 17. Jahrhundert das Gravitationsgesetz. Das wollen wir jetzt nicht im Wortlaut wiedergeben. Das soll einfach erklären, warum ein Apfel auf den Boden fällt, oder warum ihr, wenn ihr hochspringt, sofort wieder auf der Erde landet. Das ist Gravitation, genauer gesagt, die Anziehungskraft der Erde. Sie hält euch fest. Und das Newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass jeder Körper auf einen anderen Körper mit einer anziehenden Gravitationskraft einwirkt. Auch ihr zieht grad mit eurem Gewicht kleine Staubteilchen um euch herum an. Und je schwerer ihr seid, umso mehr zieht ihr an.

Mit dem Gesetz konnte Newton erstmals die Schwerkraft auf der Erde, die Anziehung des Mondes und die Planetenbewegungen um die Sonne erklären. Auch solch Phänomene wie die Gezeiten auf der Erde konnten mit diesem Gesetz erklärt werden. Klar gab es damals kleinere Unstimmigkeiten in Newtons Darlegungen, aber spätestens mit Einstein und seiner allgemeinen Relativitätstheorie wurden auch diese geklärt. 

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Alternative Gravitationstheorie: MOND

So und laut den Astrophysikern passt diese Theorie jetzt nicht zu den Bewegungen der Sternhaufen. Stattdessen haben sie eine alternative und in Fachkreisen höchst umstrittene Theorie aus der Schublade gekramt, mit der sich dieses Phänomen viel besser erklären lässt. Die sogenannte MOND-These. MOND steht für Modified Newtonian Dynamics oder auch für Theorie der Milgromschen Dynamik und diese Theorie wurde 1983 von dem israelischen Physiker Mordehai Milgrom ins Leben gerufen. 

Beruft man sich auf diese Theorie, könnte man davon ausgehen, dass es im vorderen Gezeitenarm des Sternhaufens mehr Sterne geben muss. Anders als die Newtonsche Theorie, die ja besagt, dass es in beiden Armen gleich viele Sterne geben muss. Und laut der Aufzeichnungen stimmen die Daten mit der MOND-These perfekt überein. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn erklärt, dass Sterne nach der MOND-These einen Sternhaufen durch zwei Türen, eine vordere und eine hintere, in die Gezeitenarme verlassen können. 

Gezeitenarm der Hyaden von Kroupa AG der Uni Bonn
Gezeitenarm der Hyaden, Quelle: Kroupa AG, Uni Bonn

Laut der Newtonschen Theorie müssten beide Türen gleich groß sein und gleich viel Sterne durchlassen können. Nach der MOND-Theorie ist die vordere Tür aber deutlich größer und kann dementsprechend viel mehr Sterne durchlassen, als der hintere Ausgang. Und die Verteilung der Sterne in den Gezeitenarmen stimmt ziemlich gut mit dem überein, was die MOND-These behauptet, nämlich, dass im vorderen Gezeitenarm viel mehr Sterne sind. 

Die Forscher entwickeln jetzt erstmal neue und genauere Simulationen, um die ersten Erkenntnisse zu prüfen und zu bestätigen. Wenn diese Erkenntnis wirklich bestätigt werden sollte, dann kann Newton einpacken. Denn die Newtonschen Gravitationsgesetze hätten in der Mond-Theorie keine Gültigkeit mehr. Wir müssten diese Gesetze dann überarbeiten und was das für Konsequenzen für die gesamte Physik hätte, könnt ihr euch sicherlich denken.

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NASA entwickelt Lichtgeschwindigkeitsantrieb

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Darstellung von Helical Engine im Weltraum

Steht die NASA kurz davor einen Lichtgeschwindigkeitsantrieb zu bauen? Könnten wir bald schon unser Sonnensystem verlassen und zu weit entfernten Sternen reisen?

Wer nachts hoch zu den Sternen blickt, kennt das Gefühl: die Faszination über die Schönheit und Größe des Kosmos und gleichzeitig die Enttäuschung darüber, dass man diese fremden Systeme und Planeten vermutlich niemals zu Gesicht bekommen wird. Die Distanzen im Weltraum sind gigantisch groß und mit herkömmlichem Antrieb nicht zu überbrücken. Alleine unser Nachbarstern, also der nächste Stern an unserem Sonnensystem, Proxima Centauri, ist 4,2 Lichtjahre von uns entfernt. Unsere derzeitigen Antriebe reichen noch nicht mal annähernd dafür aus, den nächsten Exoplaneten, Proxima Centauri B, zu besuchen. Müssen wir die Hoffnung aufgeben, dass wir unseren nächsten Urlaub statt auf Malle vielleicht doch auf Proxima B verbringen können? 

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Lichtgeschwindigkeit: Ingenieur hat Bauplan erstellt

Es gibt Hoffnung, denn ein NASA-Ingenieur sagt, er habe einen Bauplan für einen Lichtgeschwindigkeitsantrieb entwickelt. David Burns hat ein Triebwerkskonzept entwickelt, das theoretisch auf 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte – ganz ohne Treibstoff. Aber was heißt überhaupt Lichtgeschwindigkeit? Wie im normalen Leben auf der Erde gibt es auch im Universum gewisse Regeln. Die nennt man Naturgesetze und eines davon lautet: Schneller als Lichtgeschwindigkeit im Vakuum geht nicht. Die Relativitätstheorie besagt, dass sich die Geschwindigkeit von Licht, das sich durch ein Vakuum bewegt, nie verändert. Mit gerundet 300.000 Kilometern pro Sekunde erreicht Licht die höchstmögliche Geschwindigkeit im Universum. Das gilt übrigens nicht nur für Licht, sondern für alle anderen elektromagnetischen Wellen. 

Ein Raumschiff fliegt durch die Raumzeit

Diese Geschwindigkeit ist bekannt als maximale Geschwindigkeit c. Woraus ergibt sich diese maximale Geschwindigkeit? Ein Raumschiff, das durch den Kosmos fliegt, bewegt sich durch Raum und Zeit. Je schneller es sich durch den Raum bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Ihr erinnert euch an das Konzept der Raumzeit. Jetzt stellen wir uns ein Photon vor, ein Lichtteilchen. Das bewegt sich natürlich wesentlich schneller als ein Raumschiff, nämlich mit der maximalen Geschwindigkeit c. Diese Geschwindigkeit hat einen derart massiven Einfluss auf die Raumzeit, dass die Zeitkomponente komplett entfällt. Die Zeit wird so sehr verlangsamt, dass sie stillsteht – für das Licht existiert so gesehen keine Zeit. Und das stellt die maximale Ausreizung der Beziehung zwischen Raum und Zeit dar. Mehr als das Wegfallen der Zeitkomponente geht nicht und deswegen ist an diesem Geschwindigkeitspunkt die maximale Geschwindigkeit erreicht. 

Wie kann man Lichtgeschwindigkeit erreichen?

Wie kann es denn nun gelungen sein, mit einem Antrieb annähernd Lichtgeschwindigkeit zu erreichen? David Burns nennt sein Konzept Helical Enginge, also auf Deutsch Helix-Antrieb, und es macht sich masseverändernde Effekte zunutze, die bei annähernder Lichtgeschwindigkeit auftreten. Stellt euch mal folgende Konstruktion vor: Ein Kasten befindet sich auf einer reibungsfreien Oberfläche. Im Inneren dieses Kastens befindet sich eine Stange, auf der ein Ring gleiten kann. Wenn eine Feder im Inneren des Kastens dem Ring einen Schubs gibt, gleitet der Ring entlang der Stange in die eine Richtung, während der Kasten in die andere zurückschnellt. Wenn der Ring das Ende des Kastens erreicht, springt er zurück, und die Rückstoßrichtung des Kastens ändert sich ebenfalls. Das ist das euch bestimmt bekannte Prinzip der Aktion und Reaktion – auch bekannt als Newtons drittes Bewegungsgesetz. 

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Genau dieses Aktion-Reaktion-Gesetz machen sich auch klassische Raketen zunutze, die Treibstoff in die eine Richtung abfeuern, um in die andere Richtung empor zu fliegen. So weit, so unspektakulär. In unserem Kasten würde das nun einfach dazu führen, dass der Kasten gleichmäßig hin und her wackeln würde, der Ring bekommt ja von jeder Feder immer denselben Rückstoß. Mit so einem Kasten kommen wir sicherlich nicht nach Proxima Centauri. Aber was wäre, wenn die Masse des Rings viel größer wäre? Dann würde der Kasten an einem Ende einen größeren Stoß erhalten als am anderen. Die Aktion würde die Reaktion übertreffen und die Kiste würde nach vorne beschleunigt – Richtung unendliche Weiten! 

Helical Drive: Möglich mit einem Teilchenbeschleuniger

Aber: Wenn die Aktion die Reaktion ohne externe Einwirkung übersteigt, hätten wir dann nicht Newtons drittes Gesetz und damit einen der Grundsätze der Physik verletzt? Nein, denn der Helical Drive macht sich Effekte zunutze, die nahe der Lichtgeschwindigkeit auftreten. Einsteins spezielle Relativitätstheorie besagt, dass Objekte an Masse gewinnen, wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, ein Effekt, der übrigens auch in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider im Forschungszentrum CERN berücksichtigt werden muss. Die Ausnutzung dieses Effekts ist das Kernstück des Helical Drives.

Ähnlich wie der Large Hadron Collider funktioniert auch Helical Engine

Aber natürlich funktioniert das Ganze im Weltraum nicht wirklich mit einem Kasten, einer Stange und einem Ring. Dann könntet Ihr das Ding ja Zuhause bauen. Was cool wäre, aber man müsste in der Realität wohl den Ring durch einen kreisförmigen Teilchenbeschleuniger ersetzen, in dem Ionen, also elektrisch geladene Atome, schnell auf immense Geschwindigkeit beschleunigt und ebenso schnell wieder abgebremst werden können. Und was machen wir mit dem Kasten und dem Stab? Brauchen wir gar nicht, stattdessen bauen wir den Teilchenbeschleuniger spiralförmig. Er fungiert dann sowohl als Kasten, Stange, Ring und Feder. Mit einem solchen spiralförmigen Teilchenbeschleuniger, der Ionen auf annähernde Lichtgeschwindigkeit bringt, könnten wir durch den massebeinflussenden Effekt der Lichtgeschwindigkeit also den Helical Drive Realität werden lassen. 

Das Problem mit der Energie

David Burns beschreibt das so: “Das Triebwerk beschleunigt die in einer Schleife eingeschlossenen Ionen auf mäßige relativistische Geschwindigkeiten und variiert dann ihre Geschwindigkeit, um ihre Masse leicht zu verändern. Das Triebwerk bewegt die Ionen dann entlang der Bewegungsrichtung hin und her, um Schub zu erzeugen.” Das klingt jetzt erst mal alles sehr durchdacht und raffiniert. Aber: Ein paar praktische Probleme gibt es doch. Einige Forscher haben nachgerechnet und kamen zu dem Schluss, dass das spiralförmige Gebilde gigantische Ausmaße haben müsste. Damit das Konzept funktioniert, müsste es etwa 200 Meter lang und zwölf Meter im Durchmesser sein. Das wäre sicherlich noch machbar, aber das größte Problem ist der Energieaufwand. Damit der Helix-Antrieb funktioniert, müsste man Unmengen an Energie hineinstecken. Denn er benötigt 165 Megawatt Leistung, um nur 1 Newton Schub zu erzeugen, was in etwa der Kraft entspricht, die man zum Tippen auf einer Tastatur benötigt. Also man müsste bereits große Mengen Energie investieren, um auch nur die Kraft eines Tippens auf einer Tastatur herauszubekommen. 

Andererseits könnte sich die Menge an Energie, die man reinstecken muss, im Vakuum des Weltraums reduzieren. Dennoch wird es wohl dabei bleiben, dass der Helix-Antrieb extremst energieineffizient bleibt. Aber das wichtigste ist: Der Helix-Antrieb würde funktionieren und er würde durch die Anwendung der speziellen Relativitätstheorie nicht das Aktion-Reaktionsprinzip verletzen und alleine dadurch hebt er sich schon von ähnlichen Konzepten wie beispielsweise dem sogenannten EM-Drive ab, der auf der Nutzung von Mikrowellen basiert, aber eben nach herrschender Meinung die newtonschen Gesetze verletzt. 

Bis wir wirklich einen praktisch einsetzbaren Helix-Antrieb haben, der uns zu den Sternen bringt, wird wohl noch etwas Zeit vergehen. Insbesondere brauchen wir dafür Durchbrüche in der Energieerzeugung, eventuell durch Kernfusion. Aber es ist ein erstes vielversprechendes Konzept und irgendwo muss man anfangen, um dann darauf aufzubauen.

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Von Raumzeitblasen bis Dark Flow: Was ist neben dem Universum?

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Darstellung des Universums und dem Raum daneben

Die größte kosmische Frage unserer Zeit lautet: Was ist eigentlich außerhalb des Universums? Einige Astrophysiker behaupten, die Antwort gefunden zu haben. 

Vermutlich die größte kosmische Frage überhaupt ist: Was ist außerhalb des Universums? Diese Frage bringt uns an den Rand unserer Vorstellungskraft. Viele sehr seriöse Astrophysiker sagen schlicht, dass da nichts ist. Aber dennoch gibt es mittlerweile jede Menge Theorien über die Beschaffenheit dieses Außerhalbs. 

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Rekapitulieren wir kurz, wie der Weltraum nach dem derzeitigen Stand der Kenntnisse entstanden und aufgebaut ist. Der Kosmos ist ein großer mehrdimensionaler Raum, gefüllt mit Billionen von Galaxien, die wiederum jeweils meist aus Milliarden von Sternen und Planeten bestehen. Wir befinden uns in einer dieser Galaxien, der Milchstraße, und sitzen auf unserem planetaren Raumschiff namens Erde.

Der Urknall: War vorher Nichts?

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts weiß man, dass der Kosmos nicht statisch ist, sondern expandiert. Er wächst wie ein vierdimensionaler Luftballon und durch seine Expansionsbewegung expandieren die meisten Galaxien voneinander weg. Begonnen hat das Ganze nach der derzeit herrschenden Meinung im sogenannten Urknall. Am Anfang der Expansionsbewegung war alles in einem unendlich kleinen, unendlich verdichteten Punkt zusammengequetscht, der kosmischen Singularität. 

Den Moment, in dem dieser Punkt zu expandieren begann, bezeichnet man als Urknall und soweit man weiß, geschah das vor 13,8 Milliarden Jahren. Da stellen sich natürlich einige Fragen: Was war vor dem Urknall? Was ist neben dem Universum? Und gibt es ein nach dem Universum? Die simple Antwort “Nichts” ist unbefriedigend und auch ein wenig anmaßend. Wir wissen so gut wie gar nichts über das Wesen des Universums. Um es mit Isaac Newton zu sagen: Was wir wissen, ist ein Tropfen, was wir nicht wissen, ein Ozean. Ist es da nicht ein wenig anmaßend, zu sagen: Ich habe das Universum so gut verstanden, dass ich mit Gewissheit sagen kann, dass daneben nichts ist. Insbesondere weil es auch ziemlich schwer wird, das “Nichts” zu definieren. 

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Was ist der Hubble-Flow?

Einige Astrophysiker denken, dass sie der Lösung dieser Frage auf die Schliche gekommen sind und zwar durch den sogenannten Dunklen Fluss, oder auf Englisch Dark Flow. Dies ist eine Eigenschaft des Kosmos, die wir von innen beobachten können und dadurch Schlüsse auf das Universum als Ganzes und den Bereich außerhalb ziehen können. Wir haben bereits festgestellt, dass das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren auf einem gemeinsamen Punkt begann. Demnach müsste sich das Universum seitdem in alle Richtungen gleichermaßen stark ausdehnen. Diese These der gleichmäßigen Ausdehnung bezeichnet man auch als Hubble-Fluss oder Hubble-Flow. 

2008 entdeckten Astronomen allerdings etwas sehr Seltsames und Unerwartetes, das dem Hubble-Flow widerspricht. Sie untersuchten die kosmische Hintergrundstrahlung. Erst ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall wurde das Universum durchsichtig, das bedeutet, dass plötzlich Strahlung ausgesendet wurde, genauer gesagt kosmische Mikrowellenstrahlung. Bis zu diesem Moment können wir zurückschauen. Wir sehen dort eine gigantische uns überall umgebende Wand von eben dieser Mikrowellenstrahlung. Und das nennt man eben kosmische Hintergrundstrahlung. Als die Forscher die kosmische Hintergrundstrahlung auf unregelmäßige Bewegungen untersuchten, entdeckten sie Folgendes: Galaxienhaufen, also Gruppen von Galaxien, die durch ihre Schwerkraft miteinander verbunden sind, strömen alle in dieselbe Richtung mit einer enormen Geschwindigkeit. Sie bewegen sich auf einen Punkt jenseits des wahrnehmbaren Universums zu. So als würden sie dort von etwas angezogen werden. Eine geheimnisvolle Kraft aus einem Bereich jenseits unserer Wahrnehmung. 

Foto der Kosmischen Hintergrundstrahlung
Die Kosmische Hintergrundstrahlung

Dark Flow: Indiz für ein Nebenan im Universum

Eine mögliche Ursache: Es könnte massive Strukturen außerhalb des Universums geben, die einen gravitativen Einfluss ausüben. Der Dark Flow ist zumindest ein Indiz dafür, dass außerhalb des Universums irgendwas ist. Der an der Entdeckung des Dark Flow beteiligte NASA-Forscher Alexander Kashlinsky beschrieb es so: “Wir haben eine sehr signifikante Geschwindigkeit von Galaxien gefunden, und außerdem nimmt diese Geschwindigkeit nicht mit der Entfernung ab, soweit wir das messen können. Die Materie im beobachtbaren Universum kann den von uns gemessenen Fluss einfach nicht erzeugen.”

Was das für Strukturen außerhalb des Kosmos sein könnten, ist natürlich absolute Spekulation: Vielleicht immense Ansammlungen von Materie und Energie in Größenordnungen, die alles, was wir aus unserem Universum kennen, übersteigen oder sogar bizarre Verwerfungen in der Raumzeit, die durch Gravitationskräfte aus anderen Universen ausgelöst würden. Hier würde dann der Dark Flow mit der Theorie des sogenannten Multiversums gut zusammenpassen. Aber insgesamt muss man natürlich sagen: Wir wissen einfach nicht, was diese massiven Objekte von jenseits der Grenze des Universums sein könnten. 

Darstellung der Galaxienbewegung im Dark Flow
Der Dark Flow: So bewegen sich die Galaxien

Dark Flow Theorie ist umstritten

Und die Theorie des Dark Flow ist auch nicht unumstritten: Es gibt einige Forscher, die die Messungen, die zur Annahme des Dark Flow führten, anzweifeln. In den letzten Jahren wurden immer wieder verschiedene Studien veröffentlicht, die behaupteten, dass die Datenlage für den Dark Flow nicht ausreichend und dann wieder, dass doch aus den Daten mehrerer Weltraumteleskope der Dark Flow ersichtlich sei. Fakt ist aber, der Dark Flow ist nicht allgemeingültig widerlegt und irgendwas Seltsames zeigen die Daten jedenfalls. Alexander Kashlinsky sagt: “Zum jetzigen Zeitpunkt haben wir nicht genug Informationen, um zu erkennen, was es ist, oder um es einzugrenzen. Wir können nur mit Sicherheit sagen, dass die Welt irgendwo in weiter Ferne ganz anders ist als das, was wir lokal sehen. Ob es sich dabei um ein ‘anderes Universum’ oder ein anderes Raum-Zeit-Gefüge handelt, wissen wir nicht.”

Blasen mit verschiedenen Universen
Künstlerische Darstellung: Befinden wir uns in einer Raumzeitblase?

Durch die Existenz des Dark Flow erscheint es jedenfalls wahrscheinlich, dass es irgendetwas außerhalb des Kosmos gibt, das mit unserem Universum interagiert. Vielleicht ist der Dark Flow wie eine externe Lichtquelle außerhalb eines Aquariums, in deren Richtung alle Wasserpflanzen wachsen und die Fische fragen sich: Warum bewegen die Pflanzen sich alle in diese Richtung? Man könnte sich beispielsweise folgendes vorstellen: Das von uns beobachtete Universum ist nur eine kleine Blase der Raumzeit, die nach dem Urknall begonnen hat sich auszudehnen – aber jenseits unserer Blase gibt es noch weitere Teile des Multiversums, weitere Raumzeitblasen, die wir nicht sehen können. In diesen Regionen jenseits unserer kosmischen Blase könnte sich die Raumzeit völlig von dem unterscheiden, wie wir sie erleben. Außerdem gibt es dort vielleicht gar keine Sterne oder Galaxien, sondern womöglich supermassive Strukturen, die viel größer sind als alles in unserem Universum. Diese anderen Raumzeitblasen und die Interaktion zwischen ihnen könnten die Ursache für den Dark Flow sein, der Galaxienhaufen von außerhalb unserer Blase anzieht.

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Ist die Schwerkraft schneller als das Licht? 

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Das Verhältnis von Schwerkraft und Licht

Nichts ist schneller als das Licht. Oder doch? Könnte es sein, dass die Schwerkraft schneller als das Licht ist? Und wir alle einsteinschen Naturgesetze über den Haufen werfen müssen? 

Wer genauer über die Schwerkraft nachdenkt, wird schnell verwirrt. Was ist Schwerkraft überhaupt? Der Nachweis eines Schwerkraftteilchens ist nach wie vor nicht gelungen und die Erklärung der Ursache dieser Kraft ist eines der größten Rätsel der Physik. Aber unabhängig davon, wie und ob die Gravitation quantenphysikalisch zu erklären ist, ist sie jedenfalls da. 

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Jeder beeinflusst die Raumzeit

Einer der verwirrendsten Aspekte der Gravitation ist, dass sie sofort, also instantan zu wirken scheint. Oder reist die Schwerkraft der Sonne, die die Erde festhält, etwa auch mit der Geschwindigkeit des Lichts zu uns? Um dieses Rätsel zu lösen, müssen wir etwas tiefer in die einsteinsche Physik eintauchen. Albert Einstein fand in seiner allgemeinen Relativitätstheorie heraus, dass Raum und Zeit untrennbar zusammengehören. Gemeinsam bilden sie die Raumzeit. Und Schwerkraft beeinflusst diese Raumzeit. Je schwerer ein Objekt ist, desto mehr wird die Raumzeit, die wir uns der Einfachheit wie eine Art Gitternetz vorstellen können, gekrümmt. Auch Ihr beeinflusst gerade durch euer Gewicht die Raumzeit.

Diagramm der Raumzeit

Eine weitere wichtige Erkenntnis Einsteins war, dass es eine maximale Geschwindigkeit im Kosmos gibt, diese bezeichnet man als Geschwindigkeit C. Die Relativitätstheorie besagt, dass sich die Geschwindigkeit von Licht, das sich durch ein Vakuum bewegt, nie verändert. Mit gerundet 300.000 Kilometern pro Sekunde hat Licht die höchste erreichbare Geschwindigkeit im Universum. Und das gilt übrigens nicht nur für Licht, auch wenn man landläufig immer von Lichtgeschwindigkeit spricht, sondern auch für alle anderen elektromagnetischen Wellen. 

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Warum nichts schneller als das Licht ist

Woraus ergibt sich diese maximale Geschwindigkeit? Ein Raumschiff, das durch den Kosmos fliegt, bewegt sich durch Raum und Zeit. Je schneller es sich durch den Raum bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Ihr erinnert euch an das Konzept der Raumzeit. Jetzt stellen wir uns ein Photon vor, ein Lichtteilchen. Das bewegt sich natürlich wesentlich schneller als ein Raumschiff, nämlich mit der maximalen Geschwindigkeit C. Diese Geschwindigkeit hat einen derart massiven Einfluss auf die Raumzeit, dass die Zeitkomponente komplett entfällt. Die Zeit wird so sehr verlangsamt, dass sie stillsteht – für das Licht existiert so gesehen keine Zeit. Und das stellt die maximale Ausreizung der Beziehung zwischen Raum und Zeit dar. Mehr als das Wegfallen der Zeitkomponente geht nicht und deswegen ist an diesem Geschwindigkeitspunkt die maximale Geschwindigkeit erreicht.

Das Licht von der Sonne braucht zu uns 8 Minuten – die Schwerkraft auch?

Warum ausgerechnet bei dieser Geschwindigkeit? Im Prinzip ist das die philosophische Frage, weshalb die Naturgesetze genau so sind wie sie sind. Es ist der Programmiercode unserer Realität. Wie die Gesetze der Matrix, die uns vorgeschrieben sind. Aber zurück zur Schwerkraft. Wie verhält sich die Gravitation in diesem Zusammenspiel von Geschwindigkeit, Raum und Zeit? 

Isaac Newton: Schwerkraft existiert ohne Zeit

Isaac Newton, der Entdecker der Schwerkraft, dem der Legende nach ein Apfel auf den Kopf gefallen sein soll, glaubte, dass sich diese Kraftwirkung ganz ohne zeitliche Verzögerung ausbreitet. Albert Einstein sagte in seiner Relativitätstheorie hingegen voraus, dass Gravitation sich ebenfalls nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegen könne. Was stimmt denn nun? Wirkt denn nicht die Schwerkraft der Sonne sofort auf uns? Würde die Sonne nun verschwinden, wäre ihre Schwerkraft dann sofort weg oder würde es rund acht Minuten dauern, bis wir es bemerken? Das ist die Zeit, die auch das Licht von der Sonne bis zur Erde benötigt. 

Der Entdecker der Schwerkraft: Isaac Newton

Ein Forscherteam der University of Columbia hat vor Jahren ein cleveres Experiment gestartet, um diese Frage ein für alle mal zu klären und dabei half ihnen das Planetenschwergewicht unseres Sonnensystems, der Jupiter. Der Jupiter ist doppelt so schwer wie alle anderen Planeten des Sonnensystems zusammen, er bringt ordentlich was auf die Waage. Und so sah das Experiment der Forscher aus: Während der Jupiter durchs Blickfeld zog, beobachteten die Forscher mit mehreren kombinierten Teleskopen das Licht eines Quasars, also dem aktiven, energiereichen Zentrum einer weit entfernten Galaxie. Die von Jupiter ausgehende Gravitationskraft lenkte das Licht dieses Quasars minimal ab. Sie nutzten den Jupiter also als eine Gravitationslinse. Daraus konnten die Wissenschaftler die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwerkraft berechnen. Eine ebenso einfache wie geniale Methode. 

Schwerkraft ist so schnell wie das Licht

Und das Ergebnis: Die Schwerkraft wirkt nicht instantan, sie breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Dies wurde später auch durch die ersten Messungen von Gravitationswellen bestätigt. Gravitationswellen bezeichnen eine Art Vibrieren der Raumzeit, wenn zwei massereiche Objekte kollidieren. Wenn beispielsweise zwei Schwarze Löcher verschmelzen, beginnt das Gitternetz der Raumzeit zu wackeln und dieses Wackeln wurde erstmals im September 2015 von Wissenschaftlern der LIGO-Kollaboration erfolgreich nachgewiesen, nachdem Albert Einstein es schon knapp 100 Jahre zuvor vorausgesagt hatte. Gravitationswellen sind nur möglich, wenn die Schwerkraft sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Nach der newtonschen Physik, der bis dahin noch einige Wissenschaftler anhingen, wäre eine solche Welle nicht denkbar, denn die Schwerkraftwirkung würde die Erde ja sofort erreichen. 

Entstehung von Gravitationswellen

Also lange Rede, kurzer Sinn: Gravitation bewegt sich ebenso schnell wie das Licht, obwohl dies lange umstritten war, kann es nun als bewiesen betrachtet werden. Ein paar Folgefragen stellen sich da aber trotzdem noch, zum Beispiel: Wenn das so ist, weshalb kann dann Licht ein Schwarzes Loch nicht verlassen, Gravitation aber schon? Diese Vorstellung beruht auf einer falschen Vorstellung eines Schwarzen Lochs. Das Schwarze Loch sendet keine Gravitation aus seinem Inneren aus, sondern das Schwarze Loch ist selbst das Gravitationsfeld. Anders gesagt: Gravitation muss das Schwarze Loch gar nicht erst verlassen, das Schwarze Loch an sich ist ein eingefrorenes Gravitationsfeld. Gravitation kann statisch sein. Gravitationswellen sind so schnell wie Licht.

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