22.5 Dunkle Materie
22.5.1 Entdeckung durch Zwicky
Fritz Zwicky( 1898 - 1974) war ein später in Amerika lebender Schweizer Astronom. Er führte als erster Supernovae auf einen Gravitationskollaps zurück und vermutete Neutronensterne als Folgeobjekte. Einstein untersuchte Sterne als Gravitationslinsen und verwarf die Idee, Zwicky zeigte, dass Galaxien Gravitationslinsen sein können.
Die bedeutendste und folgenschwerste Idee hatte er 1933. Als Erster benutzte er den Virialsatz bei der Untersuchung von Galaxienhaufen und entdeckte dadurch die Dunkle Materie.
Zum Virialsatz:
Der Virialsatz stellt einen Zusammenhang her zwischen der kinetischen Energie und der potenziellen Energie eines Systems.
Wer sich mehr darüber informieren möchte, sollte einen Post im Physik Blog lesen:
https://www.natur-science-schule.info/post/der-virialsatz-grundlegender-als-energieerhaltung
In Galaxienhaufen ist der Mittelwert der kinetischen Energie Wkin aller Galaxien bestimmt durch den Mittelwert der potenziellen Energien Wpot.:
Wkin = -1/2*Wpot
Mit recht guter Näherung kann man die potenzielle Energie durch die Größe (Radius R) und die Masse M des Galaxienhaufens ausdrücken:
Wpot = G*M²/R, wobei G die Gravitationskonstante ist.
Um die mittlere kinetische Energie zu bestimmen, braucht man aber die Geschwindigkeit:
Für eine Galaxie der Masse m ist Wkin =1/2*m*v².
Galaxienhaufen sind aber so weit entfernt, dass wir direkt keinerlei Bewegungen erkennen können.
Aber Zwicky bestimmte die Bewegung über den sog. Dopplereffekt: Das Licht bewegter Galaxien ist röter, wenn sie sich von uns entfernen und bläulicher, wenn sie auf uns zukommen.
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| Der von Zwicky untersuchte Comahaufen, NASA Jeder Lichtfleck ist eine Galaxie |
So, was musste er tun?
- Von möglichst vielen Galaxien eines Galaxienhaufens über den Dopplereffekt die Geschwindigkeit messen.
- Mittelwerte bilden.
- Damit über die bekannte mittlere Masse einer Galaxie die mittlere kinetische Energie berechnen.
- Über den Virialsatz erhält er dann die potenzielle Energie des Haufens.
- Zwicky hat mit dem Comahaufen gearbeitet. Über die Beobachtung von bestimmten veränderlichen Sternen, den Cepheiden, in einzelnen Galaxien war dessen Entfernung bekannt. Aus der Winkelausdehnung am Himmel konnte man somit den Radius des Haufens berechnen.
- Damit konnte Zwicky aus der mit dem Dopplereffekt über den Virialsatz berechneten potenziellen Energie die Gesamtmasse des Haufens berechnen, also die Masse von allem, was im Haufen Schwerkraft erzeugt.
Zwicky erhielt für die Gesamtmasse des Comahaufens 70 Billionen Sonnenmassen.
Aus der Leuchtkraft der Galaxien kam er aber nur auf 70 Milliarden Sonnenmassen.
Das war eine Diskrepanz um den Faktor 1000.
Im Comahaufen steckt also nach Zwickys Beobachtungen 1000 Mal mehr Materie, die Schwerkraft erzeugt, als die, die wir in Form von leuchtenden Galaxien sehen.
Aus dieser gewaltigen Diskrepanz folgerte er die Existenz der Dunklen Materie, die bis zu sechsmal häufiger ist als normale Materie und genau wie diese die Schwerkraft erzeugt.
Anmerkung: Zwickys Faktor 1000 ist zu hoch. Ein Teil der Diskrepanz kann inzwischen durch intergalaktisches Gas und Zwerggalaxien erklärt werden.
Aber immer noch gilt: Die meiste Materie in einem Galaxienhaufen sehen wir nicht, es ist Dunkle Materie.
Im nächsten Post sehen wir, wie auch das 3.Keplersche Gesetz uns bei der Suche nach Dunkler Materie unterstützt.
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