Dunkle Materie, unbekannter Stoff im Universum
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| Coma Galaxienhaufen. © NASA/Hubble-Teleskop. | |
Das was wir sehen und direkt erforschen können, die normale Materie, ist nur Dekoration im Universum. Das Schicksal des Alls wird von dunkler Energie und dunkler Materie bestimmt. Beide geben nur widerstrebend ihr Geheimnis preis.
Jede Masse übt auf eine andere Masse eine Kraft aus, die Schwerkraft. Sie wurde bereits von Isaac Newton Ende des 17. Jahrhunderts beschrieben und wurde erst Anfang des 20. Jahrhunderts durch Einsteins allgemeine Relativität abgelöst. Mit der Schwerkraft konnte man die Bewegung der Planeten im Sonnensystem gut beschreiben, je besser, je mehr Körper des Sonnensystems man bei der Rechnung berücksichtigte. Als man im 20. Jahrhundert die erfolgreiche Schwerkraft auf Galaxien und die Kosmologie anwenden wollte, bleib der Erfolg versagt. Fritz Zwicky stiess Anfang der Dreissigerjahre bei Messungen von Geschwindigkeiten einzelner Galaxien des Coma-Galaxienhaufens (300 Millionen Lichtjahre Distanz, etwa 1000 einzelne Galaxien) auf das Problem, dass die Sterne (also die Sonnen) in den Galaxien um einen Faktor 100 oder noch mehr zu wenig Masse hatten, um den Haufen bei den hohen Relativgeschwindigkeiten seiner Mitglieder zusammenzuhalten. Es musste Masse im Haufen sein, die sich nicht optisch beobachten liess, folgerte Zwicky, blieb jedoch mit dieser Hypothese zunächst Aussenseiter.
Der Fortschritt bringt Rätsel
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| Rätsel der Umlaufzeiten. | |
Der Fortschritt in der Beobachtungstechnik bringt neue Erkenntnisse und neue Probleme. In den 1960er Jahren war man in der Lage die Rotation der Spiralgalaxien (ähnlich unserer Milchstrasse) zu vermessen. Es galt die Frage zu klären, wie schnell ein Stern in einem bestimmten Abstand vom Zentrum um das Zentrum rotiert. Man erwartete, dass nahe dem Zentrum zunächst die Umlaufgeschwindigkeit rasch zunimmt und dann in den Spiralarmen nachlässt, näherungsweise wie man es von den Keplerschen Gesetzen im Planetensystem kannte. Doch die Geschwindigkeiten nahmen mit zunehmendem Abstand vom Galaxienzentrum kaum ab. Dies, obwohl die Dichte der beobachtbaren Materie (Sterne, Staub, Gas) deutlich abnimmt, wenn man sich weit vom Zentrum entfernt. Die Galaxien schienen von einem Halo aus unbeobachtbarer "dunkler" Materie umgeben zu sein, welche die für die Umlaufgeschwindigkeiten benötigte zusätzliche Schwerkraft liefern konnte. War die meiste Masse der Galaxie nicht in den Sternen sondern zum Beispiel in kaum zu beobachtenden Meteoroiden konzentriert, die zwischen den Sternen ihre eigenen Bahnen zogen? Ist das Gravitationsgesetz wie wir es anwenden, unzureichend? "Dunkel" bedeutet, dass diese Materie außer der erwähnten Gravitationskraft keine andere Wechselwirkung mit der uns bekannten Materie zeigt. Denn auch Beobachtungen über das ganze elektromagnetische Spektrum, die mit der Satellitentechnik möglich wurden, enthüllten das Geheimnis nicht.
Keine dunkle Materie in der Nähe...
Diese dunkle Materie macht sich jedoch in der Nähe nicht bemerkbar. Für die Berechnung der Planetenpositionen braucht man keine unsichtbare Materie. Die Bahnen von Sonne, Planeten, Monden und Kleinkörper im Sonnensystem können mit höchster Genauigkeit auf Jahrhunderte im Voraus berechnet werden ohne unsichtbare Materie. Im Sonnensystem spielt sie (zumindest so gut wie) keine Rolle. Dies gilt auch für unsere Nachbarschaft in der Milchstrasse. Der Satellit HIPPARCOS vermass in den 1990er Jahren die Position und Bewegung unserer Nachbarsterne so genau aus, dass ein wesentlicher Beitrag einer unbekannten Materie zur Schwerkraft ausgeschlossen werden konnte.
...doch in der Ferne
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| Temperaturschwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund. © WMAP, NASA. | |
Während in der Nähe keine oder nur sehr spärliche Hinweise auf eine dunkle Materie gefunden werden konnten, lieferte die Kosmologie jedoch von den 90er Jahren bis heute immer deutlichere Beweise für die Existenz einer Substanz, die dominant zur Schwerkraft im Universum als ganzes beiträgt. Mit der Beobachtung von Supernovaexplosionen in fernen Galaxien und vor allem mit der Vermessung der kosmischen Mikrowellenstrahlung konnte man die Dynamik des Weltalls vermessen. Man lernte, dass die Ausdehnung des Weltalls von viel mehr Schwerkraft abgebremst wird als man sehen kann und gleichzeitig von einer dunklen Energie auseinandergetrieben wird. Die sichtbaren Galaxien und damit wir selbst, sind nur wie Korkzapfen auf einem Fluss. Die sichtbare Materie zeigt die kosmischen Bewegungen an, doch beeinflusst sie selbst kaum. Nach neuesten Erkenntnissen nimmt man nun an, dass das Universum zu etwa 73 Prozent aus Dunkler Energie, zu 23 Prozent aus Dunkler Materie, zu rund 4 Prozent aus "gewöhnlicher Materie" (z.B. Atomen) und zu 0,3 Prozent aus Neutrinos besteht. Die "gewöhnliche Materie" unterteilt sich dabei in selbstleuchtende (wie Sonnen) und nicht selbstleuchtende Komponenten (wie Planeten). Der Anteil der selbstleuchtenden Komponenten nimmt dabei nur etwa 1/10 der "gewöhnlichen Materie" ein. Hier wird der Begriff "Materie" so gedeutet, dass man davon ausgeht, eine Form von Materie sei für die festgestellte Gravitationskraft verantwortlich.
Man hat viel diskutiert, ob nicht doch normale Materie dafür verantwortlich sein könnte. Wenn sie vielleicht vor allem als ganz besondere Objekte vorkommen würde?
- Meteoroiden („Steine im Weltall“)? Nein, es wurde noch nie ein Meteor beobachtet, das von ausserhalb des Sonnensystems kam. Deshalb ist die Dichte extrasolare Meteoroiden zu gering, um eine Rolle zu spielen.
- Dunkle Planeten, dunkle Zwergsterne, Neutronensterne? Man müsste sie mit den heutigen Mitteln viel häufiger in der Nähe beobachten.
- Solche Objekte, jedoch als Halo um die Galaxie und nicht in der Galaxie (sog. MACHOs, Massive Compact Halo Objects)? Sie können über den Gravitationslinseneffekt beobachtet werden, wenn sie vor Sternen von Kugelsternhaufen vorübergehen. Ihre Häufigkeit ist jedoch zu gering, um das Problem zu lösen.
- Gigantische Schwarze Löcher? Das passt weder zu den Bewegungen der Galaxien noch zur Kosmologie.
Hinweise aus der Kosmologie
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| Zuerst bildeten sich Sterne und dann Galaxien. Gemälde, © WMAP, NASA. | |
In der Kosmologie unterscheidet man zwischen heisser dunkler Materie (HDM) als relativistisches Gas (Teilchen sind sehr schnell bis so schnell wie das Licht) und kalter dunkler Materie (CDM, normales Gas, langsame Teilchen, feste Körper).
Gäbe es im Weltall vor allem HDM, hätte das für den Strukturierungsprozess im Universum ein Top-Down-Szenario zur Folge. Dichteschwankungen wären zuerst auf grossen Skalen kollabiert, es hätten sich erst Galaxienhaufen, dann Galaxien, Sterne usw. gebildet. Beobachtungen lehren das Gegenteil. Die Altersbestimmungen von Galaxien haben ergeben, dass sie vorwiegend alt sind, während manche Galaxienhaufen sich gerade im Entstehungsprozess befinden. Ein Bottom-Up-Szenario, eine hierarchische Strukturentstehung, gilt als erwiesen. Daher kann heisse dunkle Materie allenfalls einen kleinen Teil der gesamten Dunklen Materie ausmachen.
Es bleibt also im wesentlichen die kalte dunkle Materie. Das können unbeobachtete Elementarteilchen sein, die nur der Gravitation und der schwachen Wechselwirkung unterliegen. Man nennt sie die so genannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, dt. Schwach wechselwirkende massive Teilchen). WIMPs lassen sich mit einer hierarchischen Entstehung des Universums vereinbaren. Dabei ist derzeit ein Teilchen aus der Theorie der Supersymmetrie, das Photino (oder ein anderes LSP, Lightest-supersymmetric-particle), im Gespräch. Das Photino ist der supersymmetrische Partner des Photons. In diesem Falle wäre die Dunkle Materie der supersymmetrische Partner der kosmischen Hintergrundstrahlung. Je nach Masse des Photinos ist es vielleicht möglich, es im neuen Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) des CERN, der 2008 in Genf in Betrieb genommen wird, zu erzeugen.
Liegt das Problem beim Gravitationsgesetz?
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| Der Bullet Cluster, Zusammenstoss zweier Galaxienhaufen, Komposit aus sichtbarem Licht und Röntgenstrahlung. © CHANDRA, NASA, NASA. | |
Inzwischen wird auch in den Galaxienhaufen weiter die Wirkung der Dunklen Materie beobachtet und manche denken auch über eine alternative Gravitation nach, die eine dunkle Materie überflüssig machen soll. Doch Beobachtungen einer Kollision zwischen Galaxienhaufen zeigen die Existenz der dunklen Materie. Das heisse Gas der Galaxienhaufen wurde durch den Zusammenstoss durch den „Luftwiderstand“ abgebremst. Die dunkle Materie in beiden Haufen ist jedoch nicht aufgehalten worden, da sie − abgesehen von der gegenseitigen Anziehung − keine Wechselwirkung mit dem Gas eingeht. Deshalb, sind dunkle und sichtbare Materie bei der Kollision auseinander gerissen worden. Um diese Beobachtung zu machen, benutzten die Wissenschaftler mehrere optische Teleskope, darunter das Hubble-Weltraumteleskop, um die Verteilung der Masse in den beiden Haufen zu bestimmen. Dies gelang mit Hilfe des so genannten Gravitationslinsen-Effekts: Die Schwerkraft eines Himmelskörpers verzerrt das Licht von dahinter liegenden Objekten. Steht der Beobachter im richtigen Abstand zu beiden, wirkt das Objekt im Vordergrund wie eine Linse − ein Effekt, der von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Das normale Gas der Galaxienhaufen kann über seine Röntgenstrahlung direkt gesehen werden. Aus diesen Beobachtungen geht die Schwerkraft nach Einstein und Newton gestärkt hervor und die Dunkle Materie kann nicht mehr nur ein Scheineffekt einer unzureichenden Schwerkrafttheorie sein.
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| Kollision der beiden Haufen. Links Zuerst sind dunkle Materie (blau) und normale Materie (rot) in beiden Haufen vermischt.
Rechts das Ergebnis: Die dunkle Materie aus beiden Galaxienhaufen trennt sich vom heissen Gas und reisst mit ihrer Schwerkraft nur einen kleinen Teil des Gases mit sich. Graphik NASA.
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Trotz dieser Erfolge bleibt die dunkle Materie rätselhaft und dem Laborexperiment unzugänglich. Vielleicht kann hier der LHC des CERN weiterhelfen und ab dem Jahr 2008 Licht in die dunkle Materie bringen.
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