Dunkle Materie

Das Universum hat sich nach dem Urknall mit sehr großer Geschwindigkeit ausgedehnt, Astrophysiker sprechen sogar von inflationärer Ausdehnung, das ist nach heutigen Modellen des Kosmos auch die Erklärung für die großräumigen Strukturen, die im Weltall beobachtet werden.

Aber leider scheint die beobachtete Masse nicht auszureichen, um diese Ausdehnung in den letzten 15 Mrd. Jahren auf das heute beobachtete Maß abzubremsen. Es muss also etwas geben, das für die verlangsamte Ausdehnung des Universums verantwortlich ist - die Dunkle Materie.

Damit verbunden ist auch die Frage, ob sich unser Universum immer weiter ausdehnen wird, oder ob sich die Bewegung irgendwann wieder umkehrt und das Universum in einem Endknall - dem "Big Crunch" - vergeht.

Dies wird durch die kosmologische Konstante Omega beschrieben, wenn sie kleiner als 1 ist dehnt sich das Universum bis in alle ewig weiter aus, ist Omega größer eins stürzt es in ferner Zukunft wieder zusammen - Omega gleich eins entspräche einem Gleichgewichtszustand dem sich das Universum annähert. Derzeitige Berechnungen für Omega liegen weit unter eins, für ein zyklisches Universum muss deshalb noch Materie gefunden werden.

Und schließlich ist da noch die Bewegung der Sterne um das Zentrum ihrer Galaxien. Eigentlich sollten sich die Sterne am Rand viel langsamer bewegen als Berechnungen der Rotverschiebung schließen lassen, eine mögliche Lösung dieses Dilemmas ist die Existenz Dunkler Materie in einem kugelförmigen Halo, das sich weit über die sichtbare Galaxie hinaus in den Weltraum erstreckt.

Im Grunde heißt das aber nur, dass diese Materie nicht leuchtet und das trifft sowohl auf Planeten und Staub zu, als auch auf Sterne, die nicht genug Masse haben, um die Kernfusion in ihrem inneren zu zünden oder schon lange ausgebrannt sind, sogenannte Braune Zwerge. Aber auch schwarze Löcher sind in der Regel nicht so ohne weiteres zu entdecken.

Diese normale Materie könnte nach aktuellen Schätzungen etwa 10% der fehlenden Masse des Universums ausmachen. Auf der Suche nach den restlichen 90% interessieren sich die Astronomen deshalb für die Objekte, die mit bisherigen Methoden noch nicht entdeckt worden sind und einen eher exotischen Charakter haben könnten.

Astrophysiker unterscheiden auf ihrer Suche nach der fehlenden Masse zwischen heißer und kalter dunkler Materie. Kalt ist sie, wenn sie sich nur langsam bewegt und mit heiß bezeichnet man Teilchenstrahlung, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Diese Trennung könnte allerdings zum Problem werden, denn die kalte langsame Dunkle Materie (KDM) würde sich auf kleineren Skalen auswirken und vielleicht das Verhalten von Galaxien erklären. Die heiße (HDM) auf der anderen Seite kann nur großräumige Strukturen erklären, wie Galaxienhaufen und ihre Verteilung im Universum. Möglicherweise wird man sich letztendlich nicht auf eine der beiden Sorten festlegen können.

Ein vielversprechender Kandidat für HDM könnten Neutrinos sein, deren Masse ist zwar verschwindend klein, aber sie kommen in schier unvorstellbaren Mengen vor - 1014 durchströmen unsere Körper in jeder Sekunde. Aktuelle Experimente konnten zeigen, dass Neutrinos wirklich eine kleine Masse besitzen - etwa ein zehn Milliardstel der Masse eines Wasserstoffatoms. Deshalb könnten Neutrinos trotzdem bis zu 20% der Masse des Universums ausmachen.

Andere Physiker suchen nach sogenannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles - schwach wechselwirkende massive Teilchen) die eine Masse von zehn bis 100 Protonenmassen haben könnten.

Die Superstringtheorie sagt diese Teilchen als supersymmetrische Partner der bekannten Teilchen voraus. Leider konnten diese WIMPs aber bisher mit keinem Detektor nachgewiesen werden, da die Energien derzeit noch nicht ausreichen um so hohe Energie zu erreichen, das könnte sich aber ändern, wenn neue Teilchenbeschleuniger wie Tesla und der LHC in Betrieb gehen.

Und auch MACHOs (Massive Compact Halo Objects - Massive Kompakte Objekte im Halo der Galaxien) könnten einen Teil der Dunklen Materie erklären. Diese MACHOs sind aber weit weniger seltsam, es handelt sich um KDM wie verloschene Sterne oder schwarze Löcher, die nicht ohne weiteres nachgewiesen werden können. Seit 1991 suchen Astronomen vom Lawrence Livermore National Laboratory nach diesen MACHOs.

Der Trick dabei besteht nicht darin, die Objekte direkt beobachten zu wollen, statt dessen versucht man ihren Einfluss auf den umgebenden Raum nachzuweisen. Wenn das Objekt vor einem Stern vorbeizieht, verzerrt seine Anziehungskraft den Weg des Lichts des verdeckten Objekts diesen Effekt der Gravitationslinse versucht man bei der Durchmusterung des Sternenhimmels nachzuweisen.

Bei einem Stern aus der Magellanschen Wolke konnte dabei zum Beispiel eine Helligkeitsveränderung nachgewiesen werden, die auf den beschriebenen Effekt zurückzuführen sein könnte. Insgesamt hat das MACHO-Projekt über 400 Objekte nachweisen können, die zu dieser Kategorie Dunkler Materie gehören.

Astrophysiker schätzen, dass WIMPS und MACHOs zusammen aber auch nur etwa 6% der fehlenden Masse erklären können. Es bleiben also noch etwa Zweidrittel der Masse des Universums unerklärt, was weitere Nachforschungen erforderlich macht.

Die Forschungsgruppen von Claude Canizares und Taotao Fangvom am Massachusetts Institute of Technology (MIT) gehen hingegen davon aus, dass sich nach dem Urknall nicht alle entstandene Materie in Galaxien zusammengeballt hat, sondern dass ein Teil in extrem heißen sogenannten Filamenten immernoch den Raum zwischen den Intergalaktischen Strukturen füllt - Der Große Attraktor, auf den sich die Milchstraße mit der Lokalen Gruppe und der Virgo-Cluster zubewegen könnte so ein Objekt sein.

Dieses Gas wäre so heiß, dass es noch nicht einmal mit Radioteleskopen nachgewiesen werden kann. Allerdings muss die Strahlung ferner Galaxien diese Filamente passieren, dabei wird ein Teil der Energie absorbiert, so dass es möglich wäre, quasi den Schatten dieser Dunklen Materie zu sehen.

Der Röntgensatellit Chandra und die Auswertung von Beobachtungen im Ultravioletten Spektrum von Fabrizio Nicastro am Center for Astrophysics in Cambridge haben kürzlich erste Hinweise geliefert, die im Sinne dieser Hypothese interpretiert werden können.

Aber vielleicht kommt man auch ohne aus, man könnte nämlich auch das Gravitationsgesetz etwas anpassen, so dass es bei sehr großen Massen ein wenig von der Newtonschen Dynamik abweicht. Diese modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND), die 1989 von Mordehai Milgrom am Weizmann Institut in Israel vorgeschlagen wurde, würde im Größenordnungen von einigen Astronomischen Einheiten nichts ändern, so dass wir auf der Erde nichts von MOND merken.

Allerdings gibt es für MOND keinerlei physikalische Grundlage, sie passt nur die Formel an die beobachteten Daten an. Das ist nicht unbedingt ein Grund, die These zu verwerfen, aber viele Astrophysiker stehen dieser Vorgehensweise skeptisch gegenüber. Dazu kommt, dass die Theorie zwar für den Bereich für den sie entwickelt wurde gute Ergebnisse liefert, aber im Rahmen von Experimenten nicht auf der Erde überprüft werden kann.

Neueste Forschungsergebnisse scheinen der MOND-Theorie jedoch zu wiedersprechen, weil die beobachtete Bewegung der Sterne sehr gut mit dem Halo aus dunkler Materie erklärt werden kann.

Das Rätsel der Dunklen Materie ist ein weißer Fleck auf der Landkarte der Wissenschaft, dessen Größe nur sehr langsam mit immer neuen Erkenntnissen der modernen Astrophysik abnimmt. Spekulation und wenige harte Fakten dominieren derzeit die Forschung auf diesem Gebiet, dass trotzdem - oder vielleicht gerade deswegen - von großer Bedeutung für unser Verständnis des Universums und seiner zukünftigen Entwicklung. 
 


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