Dunkle Materie

In der physikalischen Kosmologie bezeichnet Dunkle Materie eine Masse, die keine optische oder andere elektromagnetische Strahlung aussendet und deshalb nicht direkt beobachtbar ist. Ihre Existenz wird durch die Beobachtung der Galaxienrotation, der Bewegung der Kugelsternhaufen und der Dynamik der Galaxienhaufen nahegelegt, die unter Zugrundelegung der anerkannten Gravitationsgesetze durch die sichtbare Materie allein nicht erklärbar ist. Dunkle Materie interagiert ausschließlich durch Gravitation mit sichtbarer Materie.

Beobachtungen

Dunkle Materie: Die Diskrepanz zwischen der gemessenen und der zu erwartenden Umlaufgeschwindigkeit der Sterne in der Galaxie lässt sich nur mit der Annahme einer zusätzlichen, nicht sichtbaren „Dunklen Materie“ erklären.

Kompositbild des Bullet-Clusters. Zu sehen sind in rot die aus Strahlungsemissionen im Röntgen-Bereich abgeleitete Verteilung gewöhnlicher Materie sowie in blau die aus Gravitationslinseneffekten erschlossene Verteilung Dunkler Materie.

Gravitationslinse

Im Jahr 1917 beschrieb Willem de Sitter erstmals ein sich ausdehnendes Universum.

Als erster beobachtete Fritz Zwicky 1933, dass der Coma-Haufen (ein Galaxienhaufen, bestehend aus über 1000 Einzelgalaxien, mit großer Streuung der Einzelgeschwindigkeiten und einer mittleren Entfernungsgeschwindigkeit von 7.500 km/s) nicht durch die Gravitationswirkung seiner sichtbaren Bestandteile (im Wesentlichen der Sterne der Galaxien) allein zusammengehalten wird. Er stellte fest, dass das 400-fache der sichtbaren Masse notwendig ist, um den Haufen gravitativ zusammenzuhalten. Seine Hypothese, dass diese fehlende Masse in Form Dunkler Materie vorliege, stieß in der Fachwelt auf breite Ablehnung.

Die Analyse der Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in Spiralgalaxien durch Vera Rubin seit 1960 zeigte erneut die Problematik auf: Die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne müsste mit zunehmendem Abstand zum Galaxiezentrum viel niedriger sein, als sie tatsächlich ist. Seitdem wurde die Dunkle Materie ernstgenommen und aufgrund detaillierter Beobachtungen in fast allen großen astronomischen Systemen vermutet.

Mit der Durchführung von großräumigen Durchmusterungen von Galaxienhaufen und Galaxiensuperhaufen wurde zusätzlich deutlich, dass diese Konzentration an Materie nicht allein durch die sichtbare Materie bewerkstelligt werden konnte. Von der sichtbaren Materie ist einfach zu wenig vorhanden, um durch Gravitation die Dichtekontraste zu erzeugen.

Somit gibt es übereinstimmende Indizien auf drei verschiedenen Größenskalen, die die Existenz der Dunklen Materie nahelegen (Galaxiensuperhaufen, Galaxienhaufen und Galaxien). Der Bereich dazwischen, insbesondere die kosmische Nachbarschaft der Milchstraße, wurde bisher jedoch erst wenig auf Dunkle Materie untersucht. Diese Lokale Gruppe, beziehungsweise die nächstgrößere Einheit, ein Gebiet mit einem Radius von 30 Millionen Lichtjahren, driftet mit einer Geschwindigkeit von 600 km/s durch den Raum, weil sie u.a. vom Virgo-Haufen angezogen wird. Im Gegensatz dazu sind die Relativbewegungen der einzelnen Sternsysteme zueinander erstaunlich gering (im Mittel nur 75 km/s). Herkömmlichen Berechnungen zufolge müsste diese Relativgeschwindigkeit jedoch etwa 500 km/s betragen. Eine Erklärung dafür könnten ausgedehnte Ansammlungen Dunkler Materie sein, die die Gravitationskräfte abschwächen. Dagegen spricht jedoch, dass sich auch Dunkle Materie zusammenballen müsste und es daher keine flächigen Ansammlungen geben dürfte. Daher gehen andere Wissenschaftler davon aus, dass die Abschwächung der Relativbewegung von entgegengerichteten Gravitationskräften verschiedener Galaxienhaufen kommt. Sie betrachten sie also nicht als einen Beweis für die Existenz dunkler Materie.

Das Standardmodell der Kosmologie, das Lambda-CDM-Modell ergibt in der Zusammenfassung verschiedener Ergebnisse der beobachtenden Kosmologie folgende Zusammensetzung des Universums: Etwa 73 Prozent Dunkler Energie, 23 Prozent Dunkler Materie, rund 4 Prozent „gewöhnlicher Materie“ (z.B. Atome) und 0,3 Prozent Neutrinos. 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.

Durch Beobachtungen des Bullet-Clusters mit dem Röntgenteleskop Chandra ergab sich 2006 ein erster direkter Nachweis der dunklen Materie.

Mögliche Erklärungen

Baryonische Dunkle Materie

Da heißes Gas immer Strahlung emittiert, bleibt als erste Möglichkeit für Dunkle Materie nur kaltes Gas übrig. Gegen diese Hypothese spricht die Tatsache, dass sich kaltes Gas (unter bestimmten Umständen) durchaus erwärmen kann und selbst riesige Gasmengen nicht die benötigte Menge an Masse aufbringen könnten.

Eine ähnliche Lösung stellt die mögliche Existenz kalter Staubwolken dar, die auf Grund ihrer niedrigen Temperatur nicht strahlen und somit unsichtbar wären. Allerdings würden sie das Licht von Sternen reemittieren und somit im Infrarotbereich sichtbar sein. Außerdem wären so große Mengen an Staub nötig, dass sie die Entstehung der Sterne maßgeblich beeinflusst hätten.

Ernstzunehmende Kandidaten waren Braune Zwerge, die auch MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, dt. Massive astrophysische kompakte Halo-Objekte) genannt werden. Es handelt sich dabei um einen Typ Himmelskörper, dessen Druck so gering ist, dass keine Wasserstoffverbrennung stattfinden kann und der somit unsichtbar ist. Steht ein MACHO allerdings genau vor einem Stern, so verstärkt er als Gravitationslinse dessen Strahlung. In der Tat wurde dies zwischen Erde und der Großen Magellanschen Wolke vereinzelt auch beobachtet. Man geht heute jedoch davon aus, dass MACHOs nur einen kleinen Teil der Dunklen Materie ausmachen.

Alle diese Möglichkeiten baryonischer Dunkler Materie stehen im Widerspruch zur Theorie der primordialen Nukleosynthese. Bei der Alternative nicht-baryonischer Dunkler Materie unterscheidet man die folgenden beiden Gruppen.

Heiße Dunkle Materie (HDM)

Neutrinos galten lange Zeit als naheliegende Kandidaten für heiße Dunkle Materie. Allerdings ist ihre maximale Masse nicht ausreichend um das Phänomen zu erklären. Bestünde die Dunkle Materie aber zum Großteil aus schnellen leichten Teilchen, d.h. heißer Dunkler Materie, 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.

Kalte Dunkle Materie (CDM)

Diese Variante umfasst noch unbeobachtete Elementarteilchen, die nur der Gravitation und der schwachen Wechselwirkung unterliegen, die sogenannten 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 Betrieb genommen wird, zu erzeugen. Ein weiterer möglicher Kandidat für CDM ist das Neutralino.

Axione

Hauptartikel: Axion

Alternative Erklärungsversuche

Alle obigen Erklärungsansätze nehmen implizit an, dass die Gravitation dem Newtonschen Gravitationsgesetz bzw. der allgemeinen Relativitätstheorie gehorcht. Von einer Minderheit von Astronomen wird die MOND-Hypothese (Modifizierte Newtonsche Dynamik) als Alternative zur Dunklen Materie vorgeschlagen. In ihr wird postuliert, dass die Äquivalenz von träger und schwerer Masse bei extrem kleinen Beschleunigungen nicht mehr gelte. Aus der MOND-Hypothese wiederum geht auch die Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie hervor.

Siehe auch

Literatur

David B. Cline: Die Suche nach Dunkler Materie. In: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg, Spektrumverlag 2003, 10/05 (Okt.), S.44-51. ISSN 0170-2971
Wolfgang Rau: Auf der Suche nach der Dunklen Materie. in: Sterne und Weltraum. Heidelberg, Spektrumverlag 44.2005,1, S.32-42. ISSN 0039-1263
James Trefil: Fünf Gründe, warum es die Welt nicht geben kann. Rowohlt Verlag GmbH, ISBN 3499193132
Douglas Clowe et al.: A direct empirical proof to the existence of dark matter. ApJ Letters in press (2006) pdf
Alexander Unzicker: Why do we Still Believe in Newton's Law ? Facts, Myths and Methods in Gravitational Physics. Preprint
Harald Lesch / Jörn Müller: Kosmologie für helle Köpfe - Die dunklen Seiten des Universums. Wilhelm Goldmann Verlag, ISBN 3442153824