25: Dunkle Materie

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Viele Astronomen sind sich heute ziemlich sicher, dass es Dunkle Materie gibt, wie viel davon existiert und dass erst wegen der Dunklen Materie Galaxien überhaupt existieren können. Sie rechnen sogar in ihren Simulationen vom Universum schon mit ihr. Nur eines wissen sie noch nicht: Was ist Dunkle Materie überhaupt?

Doch um zu erklären, woher man dann überhaupt von diesem mysteriösen Zeug weiß, muss ich ganz woanders anfangen: In unserem Sonnensystem kreisen acht Planeten friedlich um die Sonne. Der Merkur ist ihr dabei am nächsten, ihre Gravitation spürt er daher auch am stärksten. Um sich auf einer stabilen Bahn um die Sonne zu bewegen und nicht einfach in sie zu stürzen, muss er sich daher relativ schnell bewegen. Der Neptun hingegen ist sehr weit von der Sonne entfernt und spürt ihre Schwerkraft auch nur dementsprechend schwach. Wenn er sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen würde wie Merkur, würde er einfach davonfliegen. Er muss sich, um die Sonne dauerhaft zu umrunden, also viel langsamer bewegen, da er viel weiter von der Sonne entfernt ist als der Merkur.

Kurz gesagt: Je näher man an einer großen Masse ist, desto stärker fühlt man sich von dieser Masse angezogen und umso schneller muss man sich bewegen, um diese Masse zu umkreisen. Bewegt man sich zu langsam, dann nähert man sich der Masse weiter an und stürzt schlimmstenfalls in sie. Bewegt man sich zu schnell, fliegt man auf Nimmerwiedersehen davon.

Das gilt für Planeten in unserem Sonnensystem ebenso wie für Sterne, die um das Zentrum ihrer Galaxie kreisen. Ein Stern müsste sich also umso schneller bewegen, je näher er sich am galaktischen Zentrum befindet. Bei Galaxienhaufen verhält es sich ganz ähnlich. Bewegen sich ganze Galaxien in ihm zu schnell, verlassen sie den Galaxienhaufen.

1933 beobachtete der Astronom Fritz Zwicky den Coma-Galaxienhaufen und ihm fiel auf, dass sich die Galaxien zu schnell bewegten. Er konnte ja durch die Helligkeit und Größe der Galaxien ungefähr ihre Masse abschätzen, doch für die Masse, die er errechnete, bewegten sich die Galaxien zu schnell und der Galaxienhaufen müsste eigentlich auseinanderfliegen. Das tut er jedoch nicht! Was ist da also los?

Zwicky vermutete, dass sich in dem Galaxienhaufen noch mehr Masse befinden muss, als er vorher angenommen hat, und dass er diese Masse aus irgendeinem Grund nicht sehen kann. Daher nannte er sie “Dunkle Materie”. Von anderen Wissenschaftlern wurde er jedoch größtenteils nicht ernst genommen.

Ein paar Jahrzehnte später, im Jahr 1960, beobachtete die Astronomin Vera Rubin, wie sich Sterne in der Andromedagalaxie bewegten. Wie vorhin erklärt, müssten die Sterne in der Nähe des Zentrums der Galaxie sich sehr schnell bewegen und dann immer langsamer werden, je weiter man nach außen geht. Wenn man in Rubins Beobachtungen von innen nach außen geht, sieht man anfangs auch genau das: Mit zunehmendem Abstand nimmt die Geschwindigkeit ab. Doch irgendwann bleibt die Geschwindigkeit gleich. Wir entfernen uns weiter vom Zentrum, doch die Sterne bewegen sich immer noch mit der gleichen Geschwindigkeit! Auch Vera Rubin kam daher zu dem Schluss, dass es in der Andromedagalaxie mehr Masse gibt, als wir sehen können.

Als dieses Problem nun in zwei unterschiedlichen Größenordnungen nachgewiesen worden war (Galaxien in einem Galaxienhaufen und Sterne in einer Galaxie), erhielt es in der Astronomie mehr Aufmerksamkeit. Weitere Beobachtungen in der nächsten Zeit bestätigten, dass es diese Dunkle Materie auch in anderen Galaxien zu geben schien.

Astronomen konnten beobachten, dass vor allem Zwerggalaxien in der Nähe der Milchstraße besonders viel Dunkle Materie besitzen. Daher vermuten sie, dass die Galaxien in unserem Umfeld früher ähnlich groß waren, dann aber die Milchstraße und die Andromedagalaxie (heute die beiden größten Galaxien in der “Lokalen Gruppe”) den anderen Galaxien sehr viel Material stahlen, sodass dort nur ein Haufen Dunkler Materie mit einer kleinen Zwerggalaxie zurückblieb.

Doch was ist Dunkle Materie nun? Wir wissen es bis heute nicht. Jedoch gibt es inzwischen viele unterschiedliche Theorien, was Dunkle Materie sein könnte. Die möglichen Formen der Dunklen Materie, die in den Theorien vorkommen, lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: Baryonische Dunkle Materie und Nicht-Baryonische Dunkle Materie.

Baryonische Dunkle Materie

Das sind ganz einfach Objekte, die wir im Prinzip schon kennen, die aber kaum oder gar nicht leuchten, sodass wir sie nur schwer beobachten können und von denen es deutlich mehr geben könnte als vermutet. Beispiele dafür sind Exoplaneten (siehe Weltallwissend 14) Braune Zwerge (siehe Weltallwissend 15) und Schwarze Löcher (siehe Weltallwissend 5).

Oft ist auch von MACHOs die Rede. Diese Abkürzung steht für Massive Compact Halo Objects. Das sind also einfach massereiche Objekte, die sich im Halo (einem kugelförmigen Bereich um eine Galaxie) von Galaxien befinden.

Gravitationslinsen – In der Allgemeinen Relativitätstheorie vermutete Albert Einstein, dass große Massen die Raumzeit krümmen, was bis heute etliche Male bestätigt werden konnte. Dadurch wird auch die Bahn von Licht, das an einem massereichen Objekt vorbeifliegt, leicht um dieses Objekt gekrümmt, wodurch es passieren kann, dass es einen Beobachter hinter diesem massereichen Objekt aus mehreren Richtungen erreicht. Etwas genauer werde ich darauf jedoch noch im nächsten Weltallwissend-Beitrag eingehen.

Wir können auch sie zwar nicht direkt sehen, aber wenn ein MACHO aus unserer Sicht direkt vor einem Stern vorbeizieht, kann er als Gravitationslinse (siehe Infobox) das Licht des Sternes verstärken, sodass dieser für kurze Zeit heller erscheint. In einem solchen Fall kann man MACHOs indirekt beobachten und einiges über sie herausfinden. Jedoch haben Astronomen bisher nur sehr selten solche Effekte beobachtet, weshalb sie vermuten, dass es lange nicht genügend MACHOs gibt, dass sie die Dunkle Materie erklären könnten. Also müssen wir uns noch eine ganz andere Art Dunkler Materie anschauen:

Nicht-Baryonische Dunkle Materie

Das ist eigentlich das, was die meisten sich auch unter “Dunkler Materie” vorstellen: Eine neue Art von Elementarteilchen, die wir bisher noch nicht kennen! Diese Form von Materie wäre also nicht aus Atomen aufgebaut, wie wir sie kennen, sie besteht nicht aus Protonen, Neutronen und Elektronen, sondern aus ganz anderen kleinen Teilchen, die uns noch nicht bekannt sind. Diese hypothetischen Teilchen dürfen also (abgesehen von ihrer Gravitation) nur extrem selten mit “normaler” Materie wechselwirken, sonst hätten wir sie längst entdecken müssen.

Auch hier haben sich Astronomen eine Abkürzung ausgedacht: WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Diese beschreibt einfach eine hypothetische Familie von sehr massereichen Elementarteilchen, die fast nur über die Gravitationskraft und die schwache Wechselwirkung mit anderen Teilchen wechselwirkt. (Die schwache Wechselwirkung wird nur auf Größenordnungen eines Atomkernes übertragen und ist für das Verständnis dieses Artikels daher unwichtig.)

Die Dunkle Materie ist eines der großen Rätsel des Universums, die wir noch nicht gelöst haben. Im nächsten Artikel, am 11. April, wird es um ein anderes großes Rätsel der Kosmologie gehen, die Dunkle Materie wird dabei auch nochmal eine kleine Rolle spielen…

Quellen: