12.11.2008 · Bei der Suche nach der dunklen Materie nehmen die Forscher nun auch verstärkt die Milchstraße ins Visier. Doch scheint sich dieser seltsame Stoff jeglichem Nachweis hartnäckig zu entziehen.
Von Manfred Lindinger
© MPG
Die Natur der dunklen Materie ist eines der größten Rätsel der Kosmologie und der Teilchenphysik. Der seltsame Stoff, aus dem offenkundig 85 Prozent der Materie des Universums besteht, sendet kein Licht aus, absorbiert es aber auch nicht. Er macht sich nur über seine Gravitationswirkung auf normale Materie bemerkbar. Obwohl man bislang nur eine vage Vorstellung von der seltsame Materieform hat, wird ihre Existenz nicht mehr bestritten. Mit immer ausgeklügelteren Messverfahren versucht man der dunklen Materie ihre Geheimnisse zu entlocken, allerdings bislang mit mäßigem Erfolg.
Dass es dunkle Materie im Universum geben muss, folgt aus vielen Beobachtungen. Bereits in den dreißiger Jahren des vergangenen Jahrhunderts entdeckten Astronomen, dass die Gravitationskraft in den großen galaktischen Haufen wesentlich stärker ist, als es die beobachteten Materie erlaubt. Spiralförmige Galaxien wie unsere Milchstraße rotieren in den äußeren Bereichen so schnell, dass sie längst hätten auseinander fliegen müssen. Dass dies bislang offenkundig nicht geschehen ist, lässt sich nur damit erklären, dass jede Galaxie - so auch die Milchstraße - in einem Halo dunkler Materie eingebettet ist, der sie zusammenhält. Die dunkle Materie diente nach heutigem Wissensstand auch als Urkeim der Galaxien und Galaxiencluster. Kurz nach dem Urknall bildeten sich kleine Ansammlungen von dichter dunkler Materie. Diese Klumpen, zusammengehalten von der Schwerkraft, verschmolzen zu immer größeren Strukturen. Darin sammelte sich die gasförmige normale Materie, die sich verdichtete, bis aus ihr die Sterne und schließlich die Galaxien und Galaxienhaufen entstanden.
Wimps oder nicht Wimps?
In der Vergangenheit wurden viele Kandidaten als Erklärung für die dunkle Materie herangezogen, und fast alle wieder verworfen. Schwarze Löcher und Braune Zwerge wurden gehandelt, auch die Neutrinos, die neutralen Verwandten der Elektronen. Sie alle tragen allenfalls nur zu einem Bruchteil der Gesamtmasse des Universums bei. Die dunkle Materie dürfte deshalb am ehesten aus bis jetzt unbekannten Elementarteilchen bestehen, die beim Urknall entstanden sind und bis heute überdauert haben. Viele Wissenschaftler favorisieren schwach wechselwirkende massereiche Partikeln, sogenannte Wimps, die keine Ladung tragen und nur äußerst selten mit mit ihrer Umgebung interagieren. Mit extrem exrem reinen Kristallen und Flüssigkeiten, die zum Teil einige hundert Kilogramm wiegen und in unterirdischen Labors zum Schutz vor der Höhenstrahlung untergebracht sind, versucht man zumindest einige der äußerst flüchtigen Partikeln einzufangen. Bislang aber ohne großen Erfolg.
Eine italienisch-chinesische Forschergruppe mit dem Namen Dama (Dark Matter), die seit gut zehn Jahren in einem Untergrundlabor im Gran-Sasso-Massiv bei Rom nach Spuren dunkler Materie aus dem Halo sucht, glaubt zwar Ereignisse zu messen, die auf die Existenz von Wimps schließen lassen. Die Signale, die eine charakteristische Schwankung aufweisen, werden mittlerweile zwar von den meisten Kollegen ernst genommen. Ob sie aber tatsächlich von den exotischen Teilchen herrühren, die der Erde, bei ihrer Bewegung um die Sonne, mal stärker, mal schwächer entgegenwehen, wird von vielen Wissenschaftlern stark bezweifelt.
Überzählige Positronen
Andere Forschergruppen versuchen, außerhalb der Erdatmosphäre Hinweise auf dunkle Materie zu finden. Für große Aufmerksamkeit haben die jüngsten Ergebnisse des Experiments Pamela gesorgt, das seit Juni 2006 an Bord des russischen Satelliten Resurs-DK1 die Erde umkreist und die kosmische Strahlung untersucht. Ein Augenmerk gilt dabei Positronen - den Antiteilchen der Elektronen. Diese werden in großer Zahl erzeugt, wenn Protonen, der kosmische Strahlung auf interstellares Gas treffen. Die Pamela-Kollaboration hat in den vergangenen Monaten einen markanten Überschuss an energiereichen Positronen gemessen. Dieser tritt oberhalb einer Teilchenenergie von zehn Milliarden Elektronenvolt auf. In diesem Bereich sollte die Zahl der Positronen, die von der kosmischen Strahlung erzeugt werden, eigentlich eher ab- als zunehmen. Folglich müsste es also noch eine unbekannte Positronen-Quelle geben.
Eine mögliche Quelle könnten Teilchen der dunklen Materie des Halos der Milchstraße sein. Wenn sich diese Partikeln gegenseitig vernichten, könnten - theoretischen Überlegungen zufolge - Gammastrahlen, Antiprotonen, aber auch große Mengen an energiereichen Positronen entstehen. Auch Pulsare kommen in Betracht, da in ihrer Magnethülle Positronen in großer Zahl erzeugt werden. Weil aber keiner der beiden Vorschläge derzeit die Daten zufriedenstellend beschreiben kann, wollen sich die Forscher auf kein Szenario festlegen und überlassen die Spekulation über die Ursachen des Positronen-Überschusses lieber anderen Forschern. Sicher ist man sich zumindest, was die Qualität und Glaubwürdigkeit der Daten betrifft. Als Argumente nennen die Wissenschaftler die gute Statistik - in 500 Tagen Messzeit wurden fast 10 000 Ereignisse von Positronen registriert - und das ausgeklügelte Filtersystem, das alle Störsignale aussortiert. Das ist eine große Überlegenheit gegenüber früheren Ballonexperimenten, die zwar eine ähnliche Anomalie in der Höhenstrahlung beobachtet hatten. Die Daten waren wegen der großen Unsicherheiten fraglich.
Pamela wird noch bis Ende 2009 Daten sammeln. Ob der Positronenüberschuss tatsächlich von Reaktionen der dunklen Materie stammt, wird es wohl aber nicht beantworten können. Dazu müsste das Spektrometer extrem energiereiche Positronen nachweisen können. Dafür ist es aber nicht ausgelegt. Die Hoffnungen richten sich deshalb auf das Antimaterie-Spektrometer (AMS), das im Jahr 2010 zur Internationalen Raumstation gebracht werden soll und einen großen Energiebereich abdecken kann.
Gammastrahlung als Indiz
Ein anderes Projekt könnte indes noch vorher Erfolg haben. Seit Juni dieses Jahres scannt das satellitengestützte Fermi-Teleskop der Nasa - das vormals den Namen Glast trug - den Himmel nach kosmischer Gammastrahlung ab, die von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen, aber möglicherweise auch von Teilchen der dunklen Materie erzeugt wird. Um die Suche nach dunkler Materie zu erleichtern, haben Forscher des internationalen Virgo-Konsortiums, zu dem auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München gehören, berechnet, wie die dunkle Materie in unserer Galaxie verteilt ist und wo sich die von ihr ausgesandte Strahlung am leichtesten aufspüren ließe.
Während man bisher glaubte, dass von den Begleitern der Milchstraße wie den Magellanschen Wolken und der Sagittarius-Galaxie vergleichsweise starke Gammastrahlung zu erwarten ist, da sie besonders große Klumpen dichter dunkler Materie beherbergen sollen, kommen die Forscher um Volker Springel zu einem anderen Ergebnis. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 456, S. 73) berichten, sind noch stärkere Signale aus dem Inneren der Milchstraße zu erwarten, wo die dunkle Materie des Halo gleichmäßig verteilt ist. Die Gammastrahlung von dort sollte an einem charakteristischen Muster gut zu erkennen sein. Das Instrument sollte in einem Bereich von zehn bis 30 Grad vom Zentrum der Milchstraße entfernt suchen. Aus dem Zentrum kämen Gammastrahlen anderer Quellen wie Supernovae und Gaswolken. Vielleicht stößt Fermi so auch auf kleinere Klumpen dunkler Materie.
Trotz aller Anstrengungen dürfte es noch lange dauern, bis die ersten gesicherten Hinweise vorliegen. Nicht zuletzt deshalb sind alle Hoffnungen auf den neuen Teilchenbeschleuniger des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf gerichtet, der im Juni der im Juni kommenden Jahres wieder starten soll. Wenn Protonen in dem „Large Hadron Collider“ mit großer Wucht kollidieren, könnten auch neue Teilchen entstehen, die man der dunklen Materie zurechnet.
Gegenraum
Herold Binsack (Devin08)
- 12.11.2008, 14:11 Uhr
Zentripetalkraft
C. Müller (Chrizz)
- 13.11.2008, 19:20 Uhr
Ihre Existenz wird nicht mehr bestritten
Lars Steffes (OdinderReisende)
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Wieder ist die „Le Sage – Gravitation“ ein möglicher Schlüssel !
Peter Munk (Tanzbodenkoenig)
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Eine Anmerkung zum unfehlbaren Newton : „Hypotheses non fingo“ ...
Peter Munk (Tanzbodenkoenig)
- 14.11.2008, 22:07 Uhr
