Was ist dunkle Materie?

Kaum ein Begriff der modernen Physik hat so viele Missverständnisse hervorgebracht wie die dunkle Materie. Weil sie unsichtbar ist und ihre Natur bis heute unbekannt bleibt, wurde die dunkle Materie immer wieder Gegenstand esoterischer Spekulationen. Manche Autoren brachten sie mit spirituellen Realitäten, kosmischem Bewusstsein oder göttlichen Kräften in Verbindung. Mit der wissenschaftlichen Bedeutung des Begriffs hat dies jedoch nichts zu tun. Der Begriff „dunkel“ bedeutet in diesem Zusammenhang lediglich, dass diese Materie kein Licht aussendet, weil sie nicht mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirkt. Sie ist nicht geheimnisvoll, übernatürlich oder spirituell. Wenn sie existiert, dann gehört sie vollständig zur physikalischen Welt und unterliegt denselben Naturgesetzen wie Sterne, Planeten und Galaxien.

Interessanterweise entstand die Idee der dunklen Materie nicht aus theoretischen Überlegungen, sondern aus Messungen. Astronomen stellten immer wieder fest, dass die Gravitation im Universum stärker zu sein scheint, als sie aufgrund der sichtbaren Materie sein dürfte. Die Geschichte beginnt in den 1930er Jahren. Der Schweizer Astronom Fritz Zwicky untersuchte die Geschwindigkeiten von Galaxien im Coma-Galaxienhaufen. Er stellte fest, dass sich die Galaxien mit erstaunlich hohen Geschwindigkeiten bewegen. Nach den bekannten Gesetzen der Gravitation hätte der Haufen längst auseinanderfliegen müssen, wenn nur die sichtbaren Sterne und Gaswolken vorhanden wären. Zwicky schloss daraus, dass eine große Menge unsichtbarer Masse existieren müsse, die den Haufen durch die Gravitationskraft zusammenhält. Er sprach von „dunkler Materie“. Seine Schlussfolgerung war ihrer Zeit weit voraus und wurde von vielen Kollegen zunächst skeptisch betrachtet.

Den eigentlichen Durchbruch brachte erst mehrere Jahrzehnte später die amerikanische Astronomin Vera Rubin. Gemeinsam mit ihrem Kollegen Kent Ford untersuchte sie in den 1960er und 1970er Jahren die Rotation von Spiralgalaxien. Die Erwartung war eigentlich klar. In unserem Sonnensystem bewegen sich die äußeren Planeten langsamer um die Sonne als die inneren. Je weiter man sich von der zentralen Masse entfernt, desto geringer wird die Umlaufgeschwindigkeit. Dasselbe hätte man für Galaxien erwarten können. Die Sterne nahe dem Zentrum sollten sich schnell bewegen, während die Sterne in den Außenbereichen deutlich langsamer sind.

Doch die Beobachtungen zeigten etwas anderes. Die Umlaufgeschwindigkeit bleibt auch in großen Entfernungen vom Zentrum nahezu konstant. Das bedeutete, dass die innerhalb der Sternbahn liegende Galaxienmasse mit zunehmendem Radius weiter anwächst, obwohl dort kaum noch sichtbare Sterne vorhanden sind. In den Galaxien und um sie herum müssen sich also große Mengen unsichtbarer Materie befinden.

Vera Rubin musste sich gegen erhebliche Widerstände behaupten. Das berühmte Palomar-Observatorium in Kalifornien ließ lange Zeit keine Frauen als Beobachter zu. Rubin gehörte zu jener Generation von Wissenschaftlerinnen, die trotz hervorragender Leistungen weniger Anerkennung erhielten als ihre männlichen Kollegen. Heute gilt sie als eine der bedeutendsten Astronominnen des 20. Jahrhunderts. Ihre präzisen Messungen der sogenannten Rotationskurven (also der Sterngeschwindigkeit als Funktion des Abstand von Galaxienzentrum) gehören zu den wichtigsten empirischen Grundlagen der modernen Kosmologie.

Inzwischen beschränkt sich die Evidenz für dunkle Materie längst nicht mehr auf die Rotation von Galaxien. Ein weiteres wichtiges Argument liefern Gravitationslinsen. Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie krümmt Masse den Raum und lenkt dadurch ähnlich wie eine Linse Lichtstrahlen ab. Beobachtet man entfernte Galaxien hinter einem massereichen Galaxienhaufen, so kann man aus der Verzerrung ihres Lichtes auf die Verteilung der Masse im Galaxienhaufen schließen. Dabei zeigt sich immer wieder, dass wesentlich mehr Masse vorhanden sein muss, als man in Form von Sternen und Gas beobachten kann.

Besonders eindrucksvoll ist der sogenannte Bullet Cluster, ein System aus zwei Galaxienhaufen, die in der Vergangenheit miteinander kollidiert sind. Solche Galaxienhaufen enthalten nicht nur Galaxien mit ihren Sternen, sondern auch sehr viel heißes Gas, das insgesamt deutlich mehr Masse als die Sterne hat. Als die beiden Galaxienhaufen aufeinander trafen, bewegten sich die Sterne relativ ungestört weiter, da die Abstände zwischen ihnen sehr groß sind und sie einander kaum spüren. Das Gas der beiden Galaxienhaufen wurde dagegen bei der Kollision durch Reibungskräfte abgebremst und blieb hinter den Galaxien zurück. (Wo sich das Gas befindet, kann man mit Röntgenteleskopen messen.) Mit Hilfe des Gravitationslinseneffekt hat man bestimmt, wie die Masse der beiden Galaxienhaufen verteilt ist. Das Ergebnis war überraschend. Die durch Gravitationslinsen gemessene Hauptmasse liegt nämlich nicht bei dem Gas, sondern dort, wo sich die Galaxienhaufen befinden, obwohl das Gas deutlich mehr sichtbare Materie enthält als die Galaxien. Viele Astronomen betrachten dies als einen der überzeugendsten Hinweise darauf, dass tatsächlich eine zusätzliche, unsichtbare Materiekomponente existiert. (Dass diese dunkle Materie bei der Kollision nicht ebenso wie das Gas abgebremst wurde, liegt daran, dass sie keine elektromagnetischen Kräfte spürt und damit auch keine Reibung.)

Noch stärker wird die Evidenz, wenn man nicht einzelne Galaxien oder Galaxienhaufen betrachtet, sondern das Universum als Ganzes. Die kosmische Hintergrundstrahlung zeigt uns das Universum etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. Bis zu diesem Zeitpunkt war die gewöhnliche Materie eng mit der elektromagnetischen Strahlung gekoppelt, denn sie war elektrisch geladen (man nennt diesen Zustand der Materie ein Plasma). Licht übte Druck auf das Plasma aus und verhinderte weitgehend sein Zusammenklumpen. Diese enge Kopplung zwischen Strahlung und Materie verschwand, als das junge Universum sich weiter ausdehnte und abkühlte, so dass Elektronen und Protonen sich zu neutralen Atomen verbanden. Die damals freigewordene elektromagnetische Strahlung breitet sich seitdem weitgehend ungehindert aus und bildet die kosmische Hintergrundstrahlung. Indem wir sie heute vermessen, können wir erkennen, dass die Materie damals sehr gleichmäßig im Universum verteilt war. Die Unterschiede zwischen maximaler und minimaler Dichte betrugen nur etwa ein Hunderttausendstel. Aus diesen Anfangsschwankungen hätten sich allein durch die Gravitation der gewöhnlichen Materie kaum die heute beobachteten Strukturen entwickeln können. Wir sehen nämlich heute ein Universum voller Galaxien und Galaxienhaufen, die keineswegs gleichmäßig im Raum verteilt sind, sondern dichte Ansammlungen und weitgehend leere Regionen bilden. Für dieses Problem bietet dunkle Materie eine elegante Lösung. Da sie nicht mit Licht wechselwirkt, konnte sie bereits früh beginnen, unter ihrer eigenen Gravitation zusammenzuklumpen. Sie bildete gewissermaßen das Gerüst des kosmischen Netzes. Als die gewöhnliche Materie von der Strahlung entkoppelt wurde, folgte sie der Anziehungskraft der Dunkle-Materie-Klumpen und bildete dort Sterne und Galaxien.

Moderne Computersimulationen bestätigen dieses Bild auf eindrucksvolle Weise. Beginnt man mit realistischen Dichteschwankungen der dunklen Materie und lässt die Gravitation über Milliarden Jahre wirken, entstehen Strukturen, die dem beobachteten Universum erstaunlich ähnlich sehen. Die Galaxien ordnen sich dabei nicht gleichmäßig im Raum an, sondern bilden ein riesiges kosmisches Netzwerk aus langgestreckten Materiestrukturen und dichten Ansammlungen von Galaxien, zwischen denen sich gewaltige nahezu leere Räume befinden.

Insbesondere aus diesen kosmologischen Überlegungen lässt sich die Menge an dunkler Materie abschätzen: Auf einen Teil gewöhnlicher Materie kommen im Universum etwa fünf Teile dunkler Materie. Die sichtbaren Sterne und Gaswolken machen also nur einen kleinen Teil der gesamten Materie aus. Aber was diese zusätzliche Masse eigentlich ist, wissen wir bis heute nicht. Die einfachste Möglichkeit wäre, dass es sich um eine bisher unbekannte Art von Elementarteilchen handelt. Solche Teilchen würden nur sehr schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirken und deshalb weder Licht aussenden noch absorbieren. Über Jahrzehnte galten sogenannte WIMPs („Weakly Interacting Massive Particles“) als die aussichtsreichsten Kandidaten. Trotz intensiver Suche in unterirdischen Detektoren, Teilchenbeschleunigern und astronomischen Beobachtungen konnte bislang jedoch kein eindeutiger Nachweis erbracht werden. In den letzten Jahren sind auch sogenannte Axionen in den Fokus gerückt – hypothetische, extrem leichte Teilchen, die ursprünglich zur Lösung eines Problems der Kernphysik vorgeschlagen wurden und sich möglicherweise als dunkle Materie bemerkbar machen. Auch sie wurden bisher nicht gefunden. Daneben existieren weitere, teilweise exotische Vorschläge, von uralten Schwarzen Löchern aus der Frühzeit des Universums bis hin zu bislang völlig unbekannten Formen von Materie. Derzeit gibt es jedoch keinen Kandidaten, der sich durchgesetzt hat.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass nicht die Materie unvollständig verstanden wird, sondern die Gravitation. Vielleicht gelten unsere heutigen Gravitationsgesetze auf den größten kosmischen Skalen nicht exakt. Solche Ideen werden unter dem Begriff „modifizierte Gravitation“ zusammengefasst. Die bekannteste Variante ist MOND, eine von Mordehai Milgrom entwickelte Theorie, die die Rotationskurven vieler Galaxien erstaunlich gut beschreibt. Allerdings geraten solche Modelle in Schwierigkeiten, wenn sie gleichzeitig Galaxienhaufen, Gravitationslinsen, die kosmische Hintergrundstrahlung und die Entstehung der großräumigen Struktur des Universums erklären sollen. Aus diesem Grund bevorzugt die Mehrheit der Kosmologen heute weiterhin die Erklärung durch die dunkle Materie. Doch welche Hypothese wirklich stimmt, wird erst die zukünftige Forschung zeigen.

Vor vier Jahren schrieb ich einen allgemeineren Blogeintrag zu den offenen Fragen der Kosmologie, in dem u.a. auch die „dunkle Energie“ erwähnt wird, die von der dunklen Materie verschieden ist und in diesem Blogeintrag gar nicht angesprochen wurde.

Eine Liste aller bisherigen Blogeinträge befindet sich hier.