Eine fehlende Masse

In den 1970er-Jahren maß die Astronomin Vera Rubin die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne in zahlreichen Spiralgalaxien und erwartete, dass sie mit zunehmender Entfernung vom Zentrum abnehmen würde, so wie es die Planeten um die Sonne tun. Stattdessen bewegten sich die Sterne am Rand fast genauso schnell wie jene im Zentrum — ein Verhalten, das sich mit der allein sichtbaren Masse der Galaxie unmöglich erklären ließ. Es musste eine zusätzliche unsichtbare Masse geben, verteilt in einem ausgedehnten Halo um jede Galaxie, um die für diese Bewegung nötige Schwerkraft bereitzustellen.

Diese unsichtbare Masse, Dunkle Materie genannt, sendet, absorbiert und reflektiert kein nachweisbares Licht — daher ihr Name, auch wenn „durchsichtige Materie" wohl treffender wäre. Sie macht rund 27 % des gesamten Inhalts des Universums aus, gegenüber nur etwa 5 % für die gewöhnliche Materie (Sterne, Planeten, Gas, Staub — alles, woraus die uns bekannten Atome bestehen).

Der Bullet-Cluster, ein visueller Beleg

Einer der überzeugendsten Belege für die Existenz von Dunkler Materie stammt vom Bullet-Cluster, der laufenden Kollision zweier Galaxienhaufen. Bei einer solchen Kollision prallt das heiße Gas jedes Haufens — das den Großteil seiner gewöhnlichen Materie ausmacht — aufeinander und wird abgebremst, wodurch es sich im Zentrum der Einschlagzone sammelt. Die Dunkle Materie hingegen, die nur über die Schwerkraft und praktisch nicht mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt, durchquert die Kollision ohne abgebremst zu werden und findet sich auf beiden Seiten vorausgeeilt wieder.

Durch die Kombination von Röntgenbeobachtungen (die die Position des heißen Gases offenbaren) und Messungen des Gravitationslinseneffekts (die zeigen, wo sich die Masse tatsächlich konzentriert, indem beobachtet wird, wie sie das Licht von Hintergrundgalaxien verzerrt), konnten Astronomen zeigen, dass der Großteil der Masse des Bullet-Clusters gegenüber dem sichtbaren Gas versetzt ist — eine Signatur, die sich kaum anders als durch das Vorhandensein von Dunkler Materie erklären lässt.

Dieses Bild des Haufens Abell 1689, der rund tausend Galaxien vereint, überlagert die reale Hubble-Fotografie (die gelben und weißen Punkte) mit einer bläulichen Karte der Dunklen Materie, die mathematisch anhand der Art und Weise rekonstruiert wurde, wie ihre Masse das Licht der weit dahinterliegenden Galaxien verzerrt und krümmt — ein Gravitationslinseneffekt, der direkt auf dem Bild als feine, gebogene Bögen sichtbar ist, die über das Feld verstreut sind. Diese Karte zeigt, dass sich die Dunkle Materie nicht gleichmäßig verteilt, sondern sich in einem dichten, unregelmäßigen Halo konzentriert, der auf den Haufen zentriert und weit ausgedehnter ist als die sichtbare Materie allein.

Diese seit den 2000er-Jahren an Dutzenden Galaxienhaufen verfeinerte Rekonstruktionstechnik ermöglicht es Astronomen, immer genauere Karten der Verteilung der Dunklen Materie im gesamten Universum zu erstellen — ohne sie je direkt zu beobachten, sondern indem sie systematisch ihren gravitativen Fingerabdruck auf dem Licht messen, das uns aus noch viel größerer Ferne erreicht.

Was könnte Dunkle Materie sein?

Trotz jahrzehntelanger Forschung bleibt die genaue Natur der Dunklen Materie eines der größten ungelösten Rätsel der Physik. Die meistuntersuchte Hypothese schlägt WIMPs vor (schwach wechselwirkende massereiche Teilchen), hypothetische Teilchen, die in keinem derzeit bestätigten Modell der Teilchenphysik vorkommen, die aber mehrere unterirdische Experimente direkt nachzuweisen versuchen, indem sie sie vor dem Rauschen gewöhnlicher kosmischer Strahlung abschirmen.

Weitere Kandidaten sind Axionen, noch leichtere, ebenfalls hypothetische Teilchen, oder primordiale Schwarze Löcher, die in den allerersten Momenten des Universums entstanden. Keine dieser Hypothesen wurde bislang bestätigt, und manche Physiker erforschen sogar Modifikationen der Gravitationsgesetze selbst als Alternative — auch wenn dieser Ansatz sich schwertut, sämtliche Beobachtungen zu erklären, insbesondere die des Bullet-Clusters.

Die Dunkle Energie und die Beschleunigung des Universums

Noch mysteriöser ist die Dunkle Energie, die fast 68 % des gesamten Inhalts des Universums ausmacht und für die 1998 entdeckte Beschleunigung seiner Expansion verantwortlich sein soll. Anders als die Dunkle Materie, die wie jede Masse durch Schwerkraft anzieht, scheint die Dunkle Energie wie eine Art negativer Druck zu wirken, der den Raum selbst auf der Ebene des gesamten Universums auseinanderdrückt.

Die einfachste Hypothese setzt sie mit der kosmologischen Konstante gleich, einem Begriff, den Einstein selbst in seine Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt — und später wieder verworfen hatte, wobei er ihn als „größten Fehler" seiner Karriere bezeichnete —, bevor sich viel später herausstellte, dass eine Komponente dieser Art tatsächlich notwendig zu sein scheint, um die beobachtete beschleunigte Expansion zu erklären.

Das Standardmodell der Kosmologie

Die Gesamtheit dieser Komponenten — rund 5 % gewöhnliche Materie, 27 % Dunkle Materie und 68 % Dunkle Energie — bildet das, was Kosmologen das Lambda-CDM-Modell nennen (für kalte Dunkle Materie und kosmologische Konstante), den theoretischen Referenzrahmen, der mit bemerkenswertem Erfolg die Struktur und Entwicklung des beobachtbaren Universums beschreibt, von der kosmischen Hintergrundstrahlung bis zur heutigen Verteilung der Galaxien in gewaltigen Haufen und Filamenten.