Dunkle Materie im Weltraum – Teil 1

Dunkle Materie im Weltraum – Was ist das bitte? Und warum kommen Wissenschaftler*innen auf diese Idee?

Von Sonja Ornella Schobesberger

Die Welt – also die Sonne, die Erde, der Computer oder wir Menschen – besteht aus Atomen. Und diese Atome bestehen wiederum aus Protonen und Neutronen und Elektronen. An dieses Bild kann sich die eine oder der andere vielleicht als Teil des Schulunterrichts erinnern.

Naja. Das ist aber nur ein winziger Teil der ganzen Wahrheit.
Im ersten Schritt stellte sich heraus, dass die Welt aus noch viel kleineren sogenannten Elementarteilchen besteht. In der Tat existiert ein ganzer Zoo voll von verschiedenen Teilchen, wie zum Beispiel das Myon, das Strange-Quark oder das Z-Boson. Diesen Zoo nennen Physiker*innen das Standardmodell der Teilchenphysik.

Es stellt sich aber die Frage: Sind diese Elementarteilchen denn nun endlich genug, um die Physik unseres Universums vollständig beschreiben zu können? Die Antwort ist: Nein! So wie es momentan scheint, nicht einmal im Geringsten…

Seit ungefähr 90 Jahren signalisieren uns Beobachtungen, mit denen wir niemals gerechnet hätten, auf den größtmöglichen Skalen im Universum, dass uns auf den kleinsten Skalen der Teilchen womöglich etwas entgangen ist. Aber was ist dieses Etwas?

Ohne Dunkle Materie würden Galaxien zerfetzen. Ohne Dunkle Materie gäbe es uns nicht.

Die Astronomin, das Genie, die Vordenkerin, Vera Rubin lieferte die ersten wirklich überzeugenden Beobachtungen, welche sie und viele Wissenschaftlerinnen nach ihr dazu veranlassten, die Hypothese der Dunklen Materie zu formulieren. Das Problem ist nämlich folgendes:

Viele Theorien der Physik ermöglichen Physiker*innen unvergleichbar präzise Vorhersagen zu treffen. Eine dieser Theorien ist zum Beispiel die Allgemeine Relativitätstheorie. Wenn wir von diesen Theorien ausgehen, reicht die Materie, welche wir im Universum in Galaxien und Intergalaktischen Gaswolken sehen, nicht einmal annähernd aus, um erklären zu können, wie sich das Universum zu dem entwickelt hat, was es heute ist.

Ohne Dunkle Materie können wir unsere eigene Existenz nicht erklären!

Betrachten wir nämlich eine Galaxie, in welcher die darin befindlichen Sterne um den Mittelpunkt rotieren, dann herrscht in dieser Galaxie ein Kräftegleichgewicht. Die Gravitation, deren Quelle die Materie in der Galaxie ist, zieht alles zum Mittelpunkt und die Kraft auf Grund der Rotation drückt alles nach außen. Astronom*innen können nun sehr genau messen, wie schnell sich die Sterne um das Zentrum drehen. Die dabei gemessenen Geschwindigkeiten im äußeren Bereich der Galaxien sind so groß, dass um ein Vielfaches mehr Materie in der Galaxie notwendig wäre, um die Rotation davon zu hindern, die Galaxie zu zerfetzen.

Diese Massen an unsichtbarer Dunkler Materie sehen wir aber nicht. Und nicht nur Galaxien brauchen in diesem Sinne Dunkle Materie. Nicht einmal die gesamte Verteilung und großräumige Struktur der sichtbaren Materie in den Weiten des Weltalls hätte sich zu dem entwickeln können, was wir heute beobachten.

Wir wissen, was sie nicht ist. Aber wir wissen nicht, was sie ist.

Wir nennen Dunkle Materie dunkel, weil sie nicht elektromagnetisch wechselwirkt. Das bedeutet, dass sie nicht mit Photonen (anders gesagt mit Licht) interagiert, so wie alles andere, was wir sehen können.

Seitdem also bekannt ist, dass Dunkle Materie weder aus kompakten Objekten wie Sternen oder Galaxien, aus Gas oder jeglichen bekannten Elementarteilchen des Standardmodells bestehen kann, liefern sich Physiker*innen weltweit einen knallharten Wettkampf darum, wer als erste die Teilchen, welche die Dunkle Materie ausmachen, mit einer treffenden Theorie richtig vorhersagt und im Experiment aufspürt. Aber mehr dazu im nächsten Teil …

Titelfoto: Simulierte Dichteverteilung der Dunklen Materie bei einem Alter des Universums von einem Gigajahr, The Millennium Simulation Project

Beitragsfoto: Jeremy Keith, CC BY 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by/2.0, via Wikimedia Commons