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Antigravitation: Kann negative Masse existieren und beobachtet werden?
Antigravitation ohne ein negatives Gravitationsgesetz: Theoretische Modelle zeigen, wie Objekte mit effektiv negativer Masse aus speziellen kosmischen Materieverteilungen oder erweiterten Gravitationstheorien hervorgehen könnten. Solche Objekte würden Materie und Licht teilweise abstoßen, könnten unter bestimmten Bedingungen aber mit positiver Masse ein gebundenes System bilden, doch ob sie real existieren, ist völlig offen.
Tsukuba (Japan). Negative Masse klingt zunächst wie ein Widerspruch zur vertrauten Schwerkraft, denn alle bislang direkt beobachteten massereichen Objekte besitzen positive Masse und ziehen andere positive Massen an. Ein bloßes negatives Vorzeichen für die Gravitationskonstante hilft theoretisch nicht weiter, weil dadurch unphysikalische Zustände in der Gravitationstheorie auftreten können.
Eine neue theoretische Arbeit verfolgt deshalb einen anderen Weg. Sie fragt nicht, ob die Gravitation selbst ihr Vorzeichen wechselt, sondern ob spezielle Materieverteilungen oder erweiterte Modelle der Gravitation nach außen wie ein Objekt mit negativer Gesamtmasse wirken könnten. Die berechneten Lösungen sind keine Entdeckung solcher Himmelskörper, liefern aber konkrete Eigenschaften, nach denen man prinzipiell suchen könnte.
Forscher der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) um Shin’ichi Nojiri haben zunächst ein Modell aus einer kompakten positiven Masse, einer kosmologischen Flüssigkeit mit negativem Druck und einer negativen kosmologischen Konstante untersucht. Dieser Term in Einsteins Gleichungen wirkt hier wie eine negative Energiedichte. Der positive Körper verdrängt in diesem Szenario einen Teil der Flüssigkeit, und wenn die dadurch fehlende Masse seine positive Masse übersteigt, wird die Gesamtwirkung nach außen effektiv negativ.
Dieser Ansatz setzt allerdings sehr spezielle kosmologische Bedingungen voraus und entspricht nicht unmittelbar dem kosmologischen Standardbild. Zusätzlich konstruieren die Autoren Lösungen in zwei erweiterten Gravitationstheorien mit zusätzlichen Skalarfeldern, darunter einer Skalar-Einstein-Gauss-Bonnet-Theorie. Zusätzliche Zwangsbedingungen verhindern in den betrachteten Zwei-Skalar-Modellen, dass problematische zusätzliche Felder frei propagieren. Die Autoren betonen selbst, dass es sich dabei zunächst um formale Lösungen der jeweiligen Gravitationsgleichungen handelt.
Besonders auffällig wäre die Wirkung auf Licht, denn in der untersuchten Raumzeit lenkt die negative Masse Photonen nicht wie eine gewöhnliche positive Masse zusammen, sondern wirkt als konkave Gravitationslinse. Für das konkret analysierte Modell gibt es keine Photonensphäre, also keine Zone kreisförmiger Lichtbahnen, und die Lichtbahn kann stattdessen asymptotisch hyperbolisch verlaufen.
Auch die Dynamik massiver Körper fällt ungewöhnlich aus. In der vereinfachten Newtonschen Näherung übt das negative Objekt auf eine positive Masse eine abstoßende Gravitationskraft aus. Trotzdem erlaubt das Zweikörpermodell gebundene Bahnen, wenn die positive Masse betragsmäßig größer als die negative ist und die relative Energie die passende Bedingung erfüllt. Dann können Kreis- oder Ellipsenbahnen entstehen.
Eine weitere Möglichkeit wäre eine Art Gravitationsabschirmung, denn den Rechnungen zufolge könnten sich Objekte negativer Masse um ein positives Objekt sammeln und dessen nach außen sichtbare Gravitationsmasse teilweise kompensieren. Optisch müsste ein solcher Verbund jedoch nicht verschwinden, weil positive Masse Licht bündelt, während negative Masse es auseinanderlenkt. Gerade diese gegensätzliche Linsenwirkung wäre deshalb ein möglicher Hinweis.
Schon ein einfaches Zahlenbeispiel zeigt jedoch, wie weit die Idee von einer realistischen Entstehung entfernt ist. Für ein Objekt mit etwa Sonnenmasse verlangt das Flüssigkeitsmodell eine Dichte von mindestens ungefähr 10^18 Kilogramm pro Kubikmeter. Zum Vergleich setzen die Autoren für die mittlere kosmische Dichte etwa 10^-26 Kilogramm pro Kubikmeter an.