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Kosmologie : Der dunkle Einfluss kam erst später

Nahe Galaxien, wie die 32 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie Messier 74, stehen unter dem Einfluss großer Mengen Dunkler Materie. Bild: NASA, ESA and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration

Galaxien werden heute von Dunkler Materie dominiert. Dass dies nicht immer so war, zeigen neue Beobachtungen von Galaxien in der Frühphase des Kosmos.

          Wenn man dem vorherrschenden Paradigma der Kosmologie, dem Lambda-CDM-Modell, Glauben schenkt, dann wurde und wird das Erscheinungsbild unseres Universums maßgeblich durch Dunkle Materie gelenkt. Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung – derjenigen Strahlung, die den Zustand des Universums etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall konserviert hat – zeigen winzige Temperaturschwankungen, die der Strahlung zu diesem frühen Zeitpunkt aufgeprägt wurden. Die dafür verantwortlichen Dichtevariationen im frühen Kosmos werden heute als Keimzellen der im All beobachtbaren Materie-Strukturen wie Galaxien, Galaxiengruppen, -haufen und Superhaufen gesehen. Diese Strukturen hätten in ihrer heute beobachteten Form nicht ausgebildet werden können, wenn nicht kalte Dunkle Materie dabei geholfen hätte, die gravitativen Potentialtöpfe zu bilden, in denen sich die uns bekannte baryonische Materie versammeln konnte. Die Entstehung und Entwicklung von Galaxien und größeren Strukturen beruht daher zentral auf dem Zusammenwirken von sichtbarer und Dunkler Materie – nicht nur zu frühen kosmologischen Zeiten, sondern auch heute noch.

          Auch Galaxiencluster, wie hier SDSS J1038+4849, sind im lokalen Universum durch dunkle Materie dominiert.
          Auch Galaxiencluster, wie hier SDSS J1038+4849, sind im lokalen Universum durch dunkle Materie dominiert. : Bild: Hubble, Nasa, Esa
          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Diese Tatsache lieferte im vergangenen Jahrhundert auch die ersten Hinweise auf die Existenz Dunkler Materie: 1933 bemerkte Fritz Zwicky, dass der Coma-Galaxienhaufen mehr Masse enthalten muss, als sich beobachten lässt, da er auf der Grundlage der beobachteten Galaxiengeschwindigkeiten ansonsten auseinanderfliegen sollte. In den frühen siebziger Jahren fand man mit Hilfe eines ähnlichen Arguments die Notwendigkeit für große Mengen Dunkler Materie in lokalen Spiralgalaxien. Die beobachteten Geschwindigkeiten der um das galaktische Zentrum rotierenden Sterne konnten nur dann mit dem Gravitationsgesetz in Einklang gebracht werden, wenn diese Galaxien in einen kugelförmigen, massereichen Halo aus Dunkler Materie eingebettet sind, der weit über die beobachtbare Ausdehnung der Galaxien hinausreicht.

          Formal dargestellt wird dieses Phänomen anhand der sogenannten Rotationskurven von Galaxien. Hier wird die beobachtete Rotationsgeschwindigkeit für verschiedene Entfernungen vom Zentrum der Galaxie aufgetragen. Sofern eine Spiralgalaxie nur aus der sichtbaren, baryonischen Materie bestehen würde, sollte die Rotationskurve für große Radien abfallen: Materie in den Außenbereichen der Galaxie sollte langsamer rotieren als Materie im Inneren der Galaxie, da ansonsten die Fliehkräfte irgendwann zu groß würden, um das Material in der Galaxie zu halten. In nahen Galaxien wie Andromeda oder Messier 74 weichen die Rotationskurven aber deutlich von den allein auf sichtbarer Materie beruhenden Erwartungen ab. Sie bleiben für große Radien konstant oder nehmen nur leicht ab. Die Existenz von Dunkler Materie, die Gas und Sterne auf ihre Bahnen zwingt, scheint also notwendig, um die Beobachtungen zu erklären.

          Die Spiralgalaxien in unserer räumlichen und zeitlichen kosmologischen Umgebung sind augenscheinlich von Dunkler Materie dominiert. Das muss allerdings nicht immer so gewesen sein. Tatsächlich erwartet man, dass vor etwa zehn Milliarden Jahren, als die heute massereichen Galaxien den Großteil ihrer Sterne bildeten, Gas und Sterne im Vergleich zur Dunklen Materie stärker im Zentrum der Galaxien konzentriert waren als heute. Der Grund ist, dass baryonische Materie im Gegensatz zu Dunkler Materie auch auf andere Weise als nur gravitativ wechselwirkt. Daher kann sie Energie beispielsweise anhand von elektromagnetischer Strahlung abgeben und damit schneller kollabieren. Im Einklang mit diesen Erwartungen wiesen bisherige Beobachtungen bereits darauf hin, dass frühe Galaxien eine andere relative Massenverteilung von baryonischer und Dunkler Materie besitzen als Spiralgalaxien heute. Diese Beobachtungen waren allerdings mit zu großen Unsicherheiten behaftet, um verlässlich den Masseanteil Dunkler Materie in jungen Galaxien abzuleiten.

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