KEINE SPUR EINER VERBORGENEN KRAFT, DIE GALAXIEN VERBIEGT

Jüngste Messungen der Expansion des Universums lassen Raum für eine Dunkle Energie, die sich mit der Zeit entwickelt, statt einer festen kosmologischen Konstante. Eine vorgeschlagene Erklärung lautet, dass die Dunkle Energie mit der Dunklen Materie wechselwirkt. Das würde eine Säule der Physik brechen, das Äquivalenzprinzip, nach dem alles auf dieselbe Weise fällt, aber nur im dunklen Sektor.

Solche Modelle erzeugen eine fünfte Kraft, die allein auf Dunkle Materie wirkt. Labortests des Äquivalenzprinzips erreichen eine Genauigkeit von 10⁻¹³ bis 10⁻¹⁵, können aber per Konstruktion keine Kraft sehen, die gewöhnliche Materie ignoriert. Die bisher besten Grenzen kamen aus der Kosmologie, bei einigen Tausendsteln der Gravitation, und manche Deutungen der neuesten Daten bevorzugen sogar eine Kraft dieser Größe.

Eine zurückgelassene Scheibe

Harry Desmond (University of Portsmouth) und Pedro G. Ferreira (University of Oxford) suchen sie im Inneren von Galaxien. Eine Spiralgalaxie ist eine Scheibe aus Sternen und Gas inmitten eines viel größeren Halos aus Dunkler Materie. Zieht eine fünfte Kraft den Halo zu benachbarten Strukturen hin, die Sterne aber nicht, eilt der Halo voraus, und die Scheibe bleibt zurück, um einige Dutzend Parsec.

Die Scheibe bleibt an den Halo gebunden, aber die rückstellende Anziehung des Halos wird nach außen hin schwächer. Die äußeren Sterne müssen also stärker verschoben werden als die inneren, und die Scheibe wölbt sich zu einer U-Form, einer Schale, die sich von der Kraft weg öffnet. Die Tiefe der Schale ist genau proportional zur Stärke der Kraft.

Schema einer rot gekrümmten Sternscheibe über einem Halozentrum, mit einem grünen Pfeil, der zeigt, wie die fünfte Kraft den Halo nach unten zieht.

Wie eine Kraft, die nur auf Dunkle Materie wirkt, eine Scheibe verbiegt: Der Halo wird weggezogen (grüner Pfeil), die Scheibe kommt außermittig zur Ruhe und wölbt sich zu einem U. — Abbildung 1, Desmond & Ferreira (2026), arXiv:2610.24618, CC BY 4.0.

Tausende Scheiben in Kantenansicht

Die vorhergesagte Verbiegung ist viel zu klein, um sie in einer einzelnen Galaxie zu sehen, und echte Galaxien werden durch viele gewöhnliche Ursachen verbogen. Der Test ist daher statistisch. Die Autoren vermaßen die Mittellinie von 3.968 von der Kante gesehenen Scheiben auf Bildern des Sloan Digital Sky Survey, mit einem Maß, das nur auf U-förmige Biegungen anspricht und die bei Spiralen häufigen S-förmigen Verwerfungen ignoriert.

Aus einer Karte der Materie im lokalen Universum, bis in 290 Megaparsec Entfernung, berechneten sie für jede Galaxie Richtung und Stärke der fünften Kraft, die sie spüren würde. Gäbe es die Kraft, würden die Verbiegungen sich nach diesen Vorhersagen ausrichten.

Das tun sie nicht. Die gemessenen Verbiegungen zeigen keine Spur der vorhergesagten Korrelation und neigen sogar ganz leicht in die andere Richtung, ein Effekt, den die Autoren fast vollständig auf eine einzige Galaxie zurückführen, in deren Bild ein Vordergrundstern verblieben war.

Eine dreimal strengere Grenze

Das Ergebnis ist eine Obergrenze: Die fünfte Kraft muss schwächer sein als 7,7 × 10⁻⁴ der Gravitation (95 % Glaubwürdigkeit), für Reichweiten ab 8 Megaparsec. Nachdem sie fünfzehn Varianten ihrer Annahmen getestet haben, geben die Autoren eine konservative Grenze von 1,7 × 10⁻³ an.

Ausschlussdiagramm der Stärke der fünften Kraft gegen ihre Reichweite, mit roten und schwarzen Grenzkurven und darüberliegenden Punkten aus anderen Studien.

Ausgeschlossener Bereich (grau) für die Stärke einer Kraft im dunklen Sektor gegen ihre Reichweite; rechts der Fall unendlicher Reichweite, in dem mehrere von Anpassungen an DESI-Daten bevorzugte Werte (blau, violett) über der neuen Grenze liegen. — Abbildung 3, Desmond & Ferreira (2026), arXiv:2610.24618, CC BY 4.0.

Für eine praktisch unendliche Reichweite ist selbst die konservative Grenze dreimal strenger als die engste kosmologische Schranke und 43- bis 360-mal strenger als frühere astrophysikalische Tests. Sie benachteiligt mit etwa 2 bis 3 Sigma die Kopplungen, die von mehreren jüngsten Anpassungen wechselwirkender Dunkler Energie an Daten der DESI-Durchmusterung bevorzugt werden.

Die beiden Ansätze ergänzen sich. Kosmologische Grenzen hängen davon ab, wie sich das Feld im Lauf der kosmischen Geschichte verhalten hat; der Verbiegungstest misst die Kraft, die heute auf Dunkle Materie wirkt. Bei mittleren Reichweiten liefert eine kosmologische Analyse des einfachsten Modells noch eine engere Schranke als die hiesige konservative.

Auswege

Eine Theorie könnte die Kraft im Inneren von Galaxien noch durch einen Abschirmmechanismus („Screening“) verbergen. Die Autoren zeigen, dass die gängigen Arten der Abschirmung dies nicht leisten können, ohne dass die Kraft ihre Bedeutung für die Kosmologie verliert. Zwei exotischere Möglichkeiten, die Vainshtein-Abschirmung und eine sogenannte disformale Kopplung, bleiben offen und künftiger Arbeit überlassen. Bis dahin schlagen sie vor, dass Anpassungen wechselwirkender Dunkler Energie 1,7 × 10⁻³ der Gravitation als Obergrenze behandeln sollten.