Was ist Dunkle Materie und warum können wir sie nicht sehen?

Das unsichtbare Rückgrat des Universums

Wenn man in den Nachthimmel blickt, sieht man Sterne, Planeten und den schwachen Schimmer ferner Galaxien. Aber nach den besten Messungen der Kosmologen macht alles Sichtbare – jedes Atom in jedem Stern, Planeten und jeder Gaswolke – nur etwa 5 % der Gesamtmasse und -energie des Universums aus. Etwa 27 % sind etwas völlig anderes: Dunkle Materie, eine Substanz, die weder Licht aussendet noch absorbiert und noch nie direkt nachgewiesen wurde, deren gravitative Fingerabdrücke aber überall zu finden sind.

Eine kürzliche Entdeckung unterstrich, wie allgegenwärtig Dunkle Materie ist: Astronomen gaben bekannt, dass die Milchstraße in einer riesigen, flachen Schicht Dunkler Materie liegt, die sich über mehr als 30 Millionen Lichtjahre erstreckt, ein verborgenes Gerüst, das erklärt, warum nahegelegene Galaxien nach außen driften, anstatt von der Schwerkraft unserer Galaxie angezogen zu werden. Die in Nature Astronomy veröffentlichte Entdeckung trägt zu einem Berg von Beweisen bei, die sich über fast ein Jahrhundert angesammelt haben und zeigen, dass etwas Unsichtbares den Kosmos formt.

Wie Wissenschaftler die Existenz von etwas Unsichtbarem bewiesen

Die Geschichte beginnt im Jahr 1933, als der Schweizer Astronom Fritz Zwicky den Coma-Haufen untersuchte und feststellte, dass sich seine Galaxien viel zu schnell bewegten. Die sichtbare Masse des Haufens konnte nicht genügend Schwerkraft erzeugen, um sie am Auseinanderfliegen zu hindern – und doch blieben sie gebunden. Er schlug eine unsichtbare Masse vor, die er dunkle Materie nannte: Dunkle Materie.

Jahrzehnte später lieferte die amerikanische Astronomin Vera Rubin den überzeugendsten Beweis. In Zusammenarbeit mit ihrem Kollegen Kent Ford erstellte sie in den 1970er Jahren Rotationskurven von Spiralgalaxien – Diagramme, die zeigen, wie schnell Sterne in verschiedenen Entfernungen um ihr galaktisches Zentrum kreisen. Die Gesetze der Physik sagen voraus, dass Sterne, die weit vom hellen Kern einer Galaxie entfernt sind, langsamer kreisen sollten, so wie äußere Planeten langsamer um die Sonne kreisen als innere. Stattdessen stellte Rubin fest, dass sich Sterne am Rand einer Galaxie genauso schnell bewegten wie Sterne in der Nähe des Zentrums. Ihre sorgfältige Untersuchung von mehr als 75 Spiralgalaxien zeigte, dass Galaxien fünf- bis zehnmal mehr Masse enthalten müssen, als sichtbar ist. Etwas Unsichtbares sorgte für zusätzliche Schwerkraft.

Eine dritte Beweislinie stammt von der Gravitationslinse. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Masse Licht beugt. Wenn Astronomen ferne Galaxien beobachten, die durch Vordergrund-Galaxienhaufen zu Bögen und Ringen verzerrt werden, zeigt der Grad der Krümmung weitaus mehr Masse, als die sichtbaren Sterne der Haufen erklären können. Der Bullet-Cluster – zwei Galaxienhaufen, die kollidierten und sich durchdrangen – ist zu einem ikonischen Fall geworden: Das sichtbare Gas verlangsamte sich während der Kollision, aber Karten der Gravitationslinse zeigen, dass der Großteil der Masse geradewegs hindurchsegelte, genau das, was ein schwach wechselwirkender Dunkle-Materie-Halo tun würde.

Was könnte Dunkle Materie sein?

Trotz überwältigender indirekter Beweise hat noch kein Experiment ein Dunkle-Materie-Teilchen direkt eingefangen. Mehrere Kandidaten werden untersucht:

• WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) – hypothetische Teilchen mit Massen zwischen dem 1- und 1.000-fachen der eines Protons. Sie würden über die Schwerkraft und die schwache Kernkraft wechselwirken, aber fast spurlos durch gewöhnliche Materie hindurchgehen. WIMPs waren lange Zeit der führende Kandidat, aber jahrzehntelange Suchen haben keinen bestätigten Nachweis erbracht.
• Axionen – extrem leichte Teilchen, die ursprünglich vorgeschlagen wurden, um ein Problem in der Quantenchromodynamik zu lösen. Ihre winzige Masse und ihre schwachen Wechselwirkungen machen sie schwer nachweisbar, aber Experimente wie ADMX suchen nach ihnen.
• Sterile Neutrinos – schwerere Cousins der bereits bekannten Neutrinos der Physik, die nur durch die Schwerkraft wechselwirken.

Wie das CERN feststellt, können Physiker auch nicht ausschließen, dass Dunkle Materie aus einer völlig neuen Physik jenseits des Standardmodells besteht.

Wie die Suche durchgeführt wird

Wissenschaftler verfolgen Dunkle Materie auf drei parallelen Wegen. Direkte Detektion-Experimente – wie das XENON-Projekt, das tief unter dem Gran Sasso in Italien vergraben ist – füllen Tanks mit flüssigem Xenon und warten darauf, dass ein Dunkle-Materie-Teilchen an einem Atomkern streut und einen winzigen Lichtblitz erzeugt. Die indirekte Detektion sucht nach Gammastrahlen oder anderer Strahlung, die Dunkle-Materie-Teilchen erzeugen könnten, wenn sie sich gegenseitig vernichten. Teilchenbeschleuniger, darunter der Large Hadron Collider des CERN, suchen nach Dunkler Materie, die bei Hochenergiekollisionen erzeugt wird, indem sie nach Ereignissen suchen, bei denen der Impuls zu verschwinden scheint, der von einem unsichtbaren Teilchen weggetragen wird.

Laut dem U.S. Department of Energy ist jeder Ansatz empfindlich für verschiedene Arten von Kandidaten, weshalb es wichtig ist, alle drei gleichzeitig durchzuführen.

Warum es wichtig ist

Dunkle Materie ist keine akademische Kuriosität. Ohne sie könnten Galaxien, wie wir sie kennen, nicht existieren – sie liefert das gravitative Skelett, um das sich gewöhnliche Materie zusammenballt, um Sterne und Planeten zu bilden. Das Verständnis ihrer Natur könnte völlig neue fundamentale Kräfte oder Teilchen enthüllen und die Physik so tiefgreifend verändern, wie es die Quantenmechanik vor einem Jahrhundert getan hat. Jedes Mal, wenn ein Detektor nichts findet, wird die Suche eingegrenzt; jede neue kosmische Vermessung kartiert die Verteilung der Dunklen Materie genauer. Die Antwort wird, wenn sie kommt, die Art und Weise verändern, wie die Menschheit das Universum versteht, in dem sie lebt.