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Am Sternenhimmel sind die beiden prominentesten Satelliten der Milchstraße, die Magellanschen Wolken, mit bloßem Auge sichtbar.

Brauchen wir
Dunkle Materie?

Von MARCEL S. PAWLOWSKI
Am Sternenhimmel sind die beiden prominentesten Satelliten der Milchstraße, die Magellanschen Wolken, mit bloßem Auge sichtbar. Foto: ESO/J. Colosimo

16. März 2022 · Das kosmologische Standardmodell sieht vor, dass 85 Prozent aller Materie in einer uns bisher unbekannten Form existiert. Doch es gibt für das Modell noch ein paar Herausforderungen.

Vor 14 Milliarden Jahren entstand das Universum durch einen Urknall. Seitdem expandiert es, in Einklang mit den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie – so beschreibt das  Standardmodell der Kosmologie die Geschichte unseres Kosmos. Es steht damit in einer langen Tradition von Erzählungen, mit denen Menschen verschiedener Kulturkreise versucht haben, die Welt und ihren Ursprung zu verstehen. Anders als solche mythischen Kosmologien beruht das Standardmodell aber allein auf astronomischen Beobachtungen und unserem Verständnis physikalischer Prozesse. Schon sein Name verdeutlicht, wie anerkannt es ist. Es ist das erfolgreichste Modell, das wir heute zur Beschreibung des Kosmos besitzen.

Trotz seiner mathematisch-wissenschaftlichen Natur ist das Standardmodell aber nicht ohne mysteriöse Bestandteile. Es impliziert, dass es im Universum neben der uns wohlvertrauten baryonischen Materie – also beispielsweise Atome, Moleküle, Sterne, die Erde, der Hund des Nachbarn – noch eine sogenannte Dunkle Materie gibt. Im einfachsten Fall handelt es sich hierbei um eine neue Art von Elementarteilchen, die sich ausschließlich durch ihre Gravitationskraft bemerkbar macht und daher nicht gesehen oder mit elektromagnetischen Wellen detektiert werden kann. Die Dunkle Materie trägt das Fünffache der baryonischen Materie zur Gesamtmasse des Universums bei, wurde aber bislang nur indirekt nachgewiesen (siehe ausklappbare Texte in diesem und im nächsten Kapitel). Ein direkter Nachweis blieb dagegen bislang aus, obwohl sich schon seit einigen Jahrzehnten zahlreiche Experimente diesem Ziel verschrieben haben.

In gigantischen Computersimulationen werden die Vorhersagen des kosmologischen Standardmodells im Detail berechnet, um diese mit Beobachtungen vergleichen zu können. Diese Querschnitte durch die „Illustris“-Simulation zeigen das Netz Dunkler Materie (blau) zusammen mit der Geschwindigkeitsverteilung des Gases (rot) und der Gasdichte (rot).
In gigantischen Computersimulationen werden die Vorhersagen des kosmologischen Standardmodells im Detail berechnet, um diese mit Beobachtungen vergleichen zu können. Diese Querschnitte durch die „Illustris“-Simulation zeigen das Netz Dunkler Materie (blau) zusammen mit der Geschwindigkeitsverteilung des Gases (rot) und der Gasdichte (rot). Foto: Illustris Collaboration
In gigantischen Computersimulationen werden die Vorhersagen des kosmologischen Standardmodells im Detail berechnet, um diese mit Beobachtungen vergleichen zu können. Diese Querschnitte durch die „Illustris“-Simulation zeigen das Netz Dunkler Materie (blau) zusammen mit der Geschwindigkeitsverteilung des Gases (rot) und der Gasdichte (rot). Foto: Illustris Collaboration
Querschnitt durch die „Illustris“-Simulation: Die Verteilung Dunkler Materie (blau) geht in die Dichteverteilung des vorhandenen Gases über (rot).
Querschnitt durch die „Illustris“-Simulation: Die Verteilung Dunkler Materie (blau) geht in die Dichteverteilung des vorhandenen Gases über (rot). Foto: Illustris Collaboration
Querschnitt durch die „Illustris“-Simulation: Die Verteilung Dunkler Materie (blau) geht in die Dichteverteilung des vorhandenen Gases über (rot). Foto: Illustris Collaboration

Das Standardmodell steht im Mittelpunkt der Forschung vieler Kosmologen. Es bildet die Basis der meisten Simulationen, in denen die Bildung von Strukturen im Universum und die Entwicklung von Galaxien nachgestellt werden. Das Standardmodell ist einfach in seinen angenommenen dunklen Bestandteilen und deren Physik und flexibel in seiner Fähigkeit, individuelle Beobachtungen von Galaxien und deren Bewegung zu reproduzieren. Es gibt allerdings auch Probleme. Viele davon äußern sich als Unstimmigkeiten im Vergleich der Berechnungen mit Beobachtungen von Galaxien. So sagten frühe kosmologische Simulationen vorher, dass eine Muttergalaxie wie die Milchstraße von Tausenden kleinen Dunkle-Materie-Klumpen, sogenannten Halos, umgeben sein sollte, in deren Innerem man wiederum Zwerggalaxien erwartete. Bis heute wurden jedoch nur etwa 60 Zwerggalaxien nahe der Milchstraße entdeckt – die beiden prominentesten sind die von der Südhalbkugel am Nachthimmel sichtbaren Magellanschen Wolken.

Diese Diskrepanz zwischen den Vorhersagen des Standardmodells und den Beobachtungen wird als das „Fehlende-Satellitengalaxien-Pro­blem“ bezeichnet. Auch wurde vorhergesagt, dass die Verteilung von Dunkler Materie im Zentrum von Zwerggalaxien eine hohe Dichte haben sollte. Beobachtungen deuten aber zumindest in einigen Fällen auf eine eher flache Dichteverteilung hin. Es ist der Beschäftigung mit kosmischen Dimensionen geschuldet, dass diese Herausforderungen trotz der involvierten Größenordnungen von Hunderttausenden von Lichtjahren als „kleinskalige Probleme“ bezeichnet werden.

Die seltsame Wirkung dunkler Sphären

Die amerikanische Astrophysikerin Vera Rubin trug in den siebziger Jahren entscheidend zur Entdeckung Dunkler Materie in Spiralgalaxien bei.
Die amerikanische Astrophysikerin Vera Rubin trug in den siebziger Jahren entscheidend zur Entdeckung Dunkler Materie in Spiralgalaxien bei. Foto: AP
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Als Vera Rubin mit ihrem Kollegen Kent Ford im November 1968 am amerikanischen Lowell-Observatorium in Arizona unsere Nachbargalaxie im Sternbild Andromeda (Abbildung unten) beobachtete, bemerkte sie etwas Seltsames: Das Gas in den äußeren Bereichen der Spiralgalaxie rotierte deutlich schneller um das Zentrum, als theoretisch zu erwarten war. „Ich erinnere mich daran, wie verwirrt ich nach den ersten paar Nächten war“, beschrieb die Astronomin zwanzig Jahre später ihre Reaktion auf die Beobachtungen in einem Interview.

Tatsächlich hatten Rubin und ihre Kollegen erwartet, dass Sterne, Gas und Staub immer langsamer kreisen, je weiter sie vom Zentrum der Spiralgalaxie entfernt sind: Andernfalls würden die Fliehkräfte so groß, dass die Materie durch die wirkende Gravitation der Galaxie nicht auf ihren Bahnen gehalten werden könnte. Rubin und Ford waren zunächst noch vorsichtig damit, diese Beobachtungen theoretisch zu deuten. Rubin beschrieb rückblickend, dass es für sie ein längerer Prozess war, eine Erklärung für die schnelle Bewegung der Sterne zu finden.

Ihr australischer Kollege Ken Freeman, der sich zu dieser Zeit ebenfalls mit der Rotation der Materie in verschiedenen Spiralgalaxien beschäftigte und die Diskrepanz zwischen Daten und den theoretischen Vorhersagen bemerkte, war 1970 in der Interpretation der Beobachtungen bereits etwas mutiger: „Wenn sie korrekt sind, dann muss es in diesen Galaxien zusätzliche Materie geben“, schrieb er – Materie, die weder optisch noch mit Radiobeobachtungen nachweisbar sei. Die Gravitation dieser zusätzlichen Materie würde die Galaxie stabil halten.

Freeman behielt recht: Heute geht man im Rahmen des kosmologischen Standardmodells davon aus, dass fast alle Galaxien in weit ausgedehnte sphärische Gebiete, sogenannte Halos, aus Dunkler Materie eingebettet sind, welche die Dynamik und Entwicklung der Galaxien entscheidend beeinflusst. sian.

Viele dieser Schwierigkeiten lassen sich mittels baryonischer Physik bewältigen, ohne dass man gleich an der Gültigkeit des Standardmodells zweifeln müsste: indem also bekannte astrophysikalische Prozesse der „nichtdunklen“ Materie in die Simulationen integriert und die Berechnungen auf diese Weise komplexer gestaltet werden. So kann das Problem der fehlenden Satellitengalaxien damit erklärt werden, dass nicht alle Dunkle-Materie-Halos ausreichend kaltes Gas enthalten, um Sterne und somit eine Zwerggalaxie zu bilden. Ebenso hat die Entstehung von Sternen durch ihre Rückkopplung mittels Sternenwinden und Supernova-Explosionen einen direkten Einfluss auf die Verteilung der Gase in einer Galaxie. Dies wiederum kann die Verteilung von Dunkler Materie beeinflussen und so besser in Einklang mit Beobachtungsdaten bringen.

Die Andromedagalaxie M31 war eines der ersten Beobachtungsobjekte, das die Notwendigkeit zusätzlicher dunkler Materie nahelegte.
Die Andromedagalaxie M31 war eines der ersten Beobachtungsobjekte, das die Notwendigkeit zusätzlicher dunkler Materie nahelegte. Foto: R. Gendler

Ein Problem des Standardmodells der Kosmologie ist jedoch ganz besonders hartnäckig: Es hat mit der Verteilung und Bewegung von Satellitengalaxien um ihre Muttergalaxie zu tun. Bereits 1976 wurde festgestellt, dass die Satelliten der Milchstraße sich entlang eines Bandes am Himmel ausrichten. In den folgenden Jahrzehnten gelangte diese merkwürdige Anordnung aber kaum über den Status eines Kuriosums hinaus. Währenddessen wurden die ersten Generationen von kosmologischen Simulationen entwickelt, machten Vorhersagen für die Anzahl und Eigenschaften von Satellitengalaxien und stießen dabei auf grundlegende Unstimmigkeiten wie das Pro­blem der fehlenden Satellitengalaxien. Erst im Jahr 2005 wurde aber darauf hingewiesen, dass auch die beobachtete, abgeflachte räumliche Verteilung der Milchstraßen-Satellitengalaxien nicht mit der erwarteten Verteilung um simulierte Muttergalaxien übereinstimmt.

Heute kennen wir schon drei gut untersuchte Satellitengalaxien-Ebenen. Um die Milchstraße sind die Satellitengalaxien in einer abgeflachten, polaren Struktur angeordnet. Messungen ihrer Eigenbewegungen zeigen, dass sie sich sogar bevorzugt in einer gemeinsamen Richtung bewegen, ein bisschen wie die Planeten um die Sonne. Ähnliche Satellitenebenen wurden um unsere Nachbargalaxie im Sternbild Andromeda und um die nahe gelegene elliptische Galaxie Centaurus A entdeckt. In beiden Fällen gibt es, wie bei der Milchstraße, Hinweise auf eine geordnete Bewegung der Satelliten.

Wenn Tausende Galaxien zu leicht sind

Der Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky war auf vielen Gebieten der Astrophysik ein Vordenker. 1933 beobachtete er als erster, dass es im Coma-Galaxienhaufen sehr viel mehr Masse geben muss, als man direkt beobachtet.
Der Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky war auf vielen Gebieten der Astrophysik ein Vordenker. 1933 beobachtete er als erster, dass es im Coma-Galaxienhaufen sehr viel mehr Masse geben muss, als man direkt beobachtet. Foto: Picture Alliance
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Fritz Zwicky, ein exzentrischer und oft übellauniger Schweizer Astronom, hat nicht nur das wunderbare Schimpfwort des „sphärischen Bastards“ (ein Bastard, egal von wo aus man ihn betrachtet) geprägt. Er gilt auch als Vater des Begriffs der Dunklen Materie. 1933 veröffentlichte er Beobachtungen, die mit dem Mount-Wilson-Teleskop in Kalifornien aufgenommen wurden. Sie zeigen den Coma-Galaxienhaufen, eine Ansammlung von mehr als tausend einzelnen Galaxien in rund 330 Millionen Lichtjahren Entfernung. Aus der Analyse der individuellen Bewegungen der Galaxien schätzte er ab, welche Gravitation nötig wäre, um den Haufen zusammenzuhalten. Das verglich Zwicky mit der Gravitation der Masse derjenigen Materie, die er beobachten konnte. Beide Werte stimmten nicht überein. Der Einfluss der sichtbaren Materie würde nicht ausreichen, um den Haufen zusammenzuhalten. Zwicky schrieb: „Falls sich dies bewahrheiten sollte, würde sich also das überraschende Resultat ergeben, dass Dunkle Materie in sehr viel größerer Dichte vorhanden ist als leuchtende Materie.“

Zwickys Fazit wurde bald für viele andere Galaxienhaufen bestätigt, auch wenn die Interpretation noch bis in die Siebzigerjahre kontrovers diskutiert wurde. Mittlerweile wird die Massendiskrepanz aber zusätzlich auch durch andere Beobachtungsmethoden gestützt: Die Tatsache, dass Galaxienhaufen hochenergetische Röntgenstrahlung aussenden, zeigt, dass Gas zwischen den Galaxien durch ein starkes Gravitationsfeld stark aufgeheizt wird. Zudem kann man den in Richtung von Galaxienhaufen beobachtbaren Gravitationslinseneffekt zur Massenabschätzung nutzen. Die durch den Haufen verursachte Raumkrümmung wirkt dabei wie eine optische Linse und erzeugt bogenförmige Bilder weit entfernter Lichtquellen (siehe Abbildung unten von Abell 370). Auch die Analysen solcher Linsen-Beobachtungen legen nahe: In Galaxienhaufen dominiert die Dunkle Materie. sian.

Diese drei Satellitenebenen sind ein Problem für das Standardmodell. Kosmologische Simulationen sagen eine nahezu richtungsunabhängige Verteilung der Satelliten auf nahezu zufälligen Bahnen voraus. Beobachtet werden jedoch abgeflachte, relativ schmale Ebenen von Satellitengalaxien mit überraschend geordneten Bewegungen. Vorhersage und Beobachtung könnten unterschiedlicher kaum sein. Das Problem der Satellitenebenen ist grundlegend, weil es auf fundamentalen Eigenschaften beruht – der räumlichen Anordnung und systematischen Bewegungen von Satellitengalaxien um ihre Muttergalaxie. Es ist schwerwiegend, weil in Simulationen nur eines von tausend Systemen sowohl die Abflachung als auch die gleichmäßige Bewegung der drei beobachteten Strukturen zeigt. Und es ist bedeutsam, da sich das Problem den üblichen Lösungsansätzen für kleinskalige Probleme in der Kosmologie entzieht.

Es ist schon fast ein Reflex, auf mögliche Probleme des Standardmodells mit dem Verweis zu reagieren, dass eine angemessene Berücksichtigung der baryonischen Physik in den Simulationen eine Lösung liefern wird. Dies hat schließlich bei anderen Problemen wie dem der fehlenden Satellitengalaxien auch funktioniert. Für das Problem der Satellitenebenen ist die baryonische Physik hingegen nicht hilfreich. Vergleiche mit modernen Simulationen, die eine Vielzahl baryonischer Prozesse umfassen, zeigen: Die Spannung im Vergleich mit den Beobachtungen bleibt unverändert bestehen. Das ist eigentlich nicht überraschend. Satellitengalaxien sind auf Skalen verteilt, die größer sind als die interne Dynamik von Galaxien. Folglich kann man nicht erwarten, dass etwa Supernovaexplosionen oder der Ausstoß von Gas aus Dunklen-Materie-Halos – Prozesse, die alle im Inneren entweder der Mutter- oder der Satellitengalaxien stattfinden – einen Einfluss auf die räumliche Verteilung und Bewegung von Satellitengalaxien um ihre Muttergalaxie haben.

Galaxienhaufen wie Abell 370, hier aufgenommen mit dem Hubble Weltraumteleskop, krümmen die Raumzeit wie eine optische Linse. Aus den resultierenden bogenförmigen Abbildungen ferner Lichtquellen kann man die Masse des Haufens ableiten.
Galaxienhaufen wie Abell 370, hier aufgenommen mit dem Hubble Weltraumteleskop, krümmen die Raumzeit wie eine optische Linse. Aus den resultierenden bogenförmigen Abbildungen ferner Lichtquellen kann man die Masse des Haufens ableiten. Foto: NASA, ESA, Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF

Wie kann das Problem dann gelöst werden? Möglicherweise hat die Große Magellansche Wolke, die größte Satellitengalaxie der Milchstraße, ihre eigenen Satellitengalaxien mitgebracht, was Gemeinsamkeiten in der Verteilung und Bewegungsrichtung erklären könnte. Allerdings sind viele der hellsten Satellitengalaxien der Milchstraße nicht mit der Magellanschen Wolke assoziiert, obwohl sie Teil der Satellitenebene sind. Dieser Erklärungsversuch ist außerdem spezifisch für die Milchstraße, lässt also die Satellitenebenen um andere Muttergalaxien unerklärt. Für Andromeda und Centaurus A gibt es hingegen Hinweise auf vergangene Kollisionen mit massereichen Galaxien, die mit der Entstehung oder (Neu-)Verteilung von Zwerggalaxien in Verbindung stehen könnten. Vielleicht ist aber auch unsere spezifische kosmische Umgebung für Muster in der Ansammlung von Zwerggalaxien verantwortlich – eine Hypothese, die mittels spezieller kosmologischer Simulationen untersucht wird.

Aber was, wenn derartige Bemühungen, das Problem der Satellitenebenen im Rahmen des Standardmodells zu lösen, nicht zum Erfolg führen? Könnten wir dann einfach akzeptieren, dass die beobachteten Strukturen ein unwahrscheinliches, aber nicht unmögliches Phänomen sind? In Ermangelung einer eindeutigen Lösung und in Anbetracht seiner anderen Erfolge könnte man argumentieren, dass das Standardmodell korrekt ist und die beobachteten Systeme bloß seltene Ausreißer sind. Pech. Zufall. Ein ungewöhnliches Ereignis in einem unendlichen Kosmos.

So zu kapitulieren würde die Bemühungen von Forschern ignorieren, die weniger populäre Wege zur Erklärung der Satellitenstrukturen verfolgen. Ein Beispiel sind Ansätze, die sich auf Gezeiten-Zwerggalaxien stützen: kleine Galaxien, die aus den Trümmern der Kollisionen größerer Galaxien entstanden sind. Einige Vorschläge in diesem Zusammenhang sind sogar mit dem Standardmodell kompatibel. Andere Ansätze basieren auf radikaleren Änderungen wie der Modifizierten Newtonschen Dynamik (MOND). Dieser Ansatz negiert die Notwendigkeit eines unbekannten Dunkle-Materie-Teilchens. Stattdessen postuliert MOND – in Abweichung von der Allgemeinen Relativitätstheorie – eine Änderung der Gravitationsgesetze im Bereich geringer Beschleunigungen, wie sie in Galaxien vorherrschen. Dieses Modell löst einige der kleinskaligen Probleme. Bei größeren Maßstäben, etwa bei der Beschreibung von Galaxienhaufen und auf den ganz großen, kosmologischen Skalen, hat es aber seine eigenen Schwierigkeiten. In Ermangelung einer klaren Lösung für das Problem der Satellitengalaxien sollten jedoch alle Versuche angehört und unvoreingenommen bewertet werden. Denn Offenheit und Neugier waren schon immer die Voraussetzungen dafür, etwas Neues über den Ursprung, die Zusammensetzung und die Gesetzmäßigkeiten unseres Kosmos zu lernen.

Marcel S. Pawlowski erforscht seit vielen Jahren das Problem der Satellitenebenen. Derzeit leitet er eine Leibniz Junior Research Group am Leibniz-Institut für Astrophysik (AIP) in Potsdam.




Nächstes Kapitel:

Ein schwer zu deutender Misserfolg


Die Illustris-Simulation berechnet die großräumige Verteilung Dunkler Materie im Rahmen des kosmologischen Standardmodells, hier ein Blick von außen auf das berechnete Volumen des gegenwärtigen Universums.

Ein schwer
zu deutender Misserfolg

Von SIBYLLE ANDERL
Die Illustris-Simulation berechnet die großräumige Verteilung Dunkler Materie im Rahmen des kosmologischen Standardmodells, hier ein Blick von außen auf das berechnete Volumen des gegenwärtigen Universums. Foto: Illustris Collaboration

Der bisher erfolglose Versuch, die Natur der Dunklen Materie aufzuklären, wirft viele Fragen auf. Wer Antworten sucht, gelangt schnell in die Wissenschaftsphilosophie.

Es ist eine faszinierende Situation, der wir derzeit in der Kosmologie begegnen: Mit dem kosmologischen Standardmodell verfügen wir einerseits über eine Beschreibung des Alls und seiner Geschichte, die in außergewöhnlicher Weise mit unseren astronomischen Beobachtungen in Einklang steht. Andererseits enthält dieses Modell in Gestalt der Dunklen Energie und der Dunklen Materie zwei Elemente, deren physikalische Natur wir bislang nicht einmal ansatzweise verstehen. Erstere wird für die sich beschleunigende Ausdehnung des Alls verantwortlich gemacht, Letztere scheint sich an vielen Stellen im Kosmos durch ihre Gravitation zu verraten. Die Materie, die wir kennen und verstehen, spielt im Kosmos des Standardmodells demgegenüber nur eine randständige Rolle.

Ursprünglich war der Optimismus unter den Wissenschaftlern nicht gering, zumindest die Dunkle Materie bald enträtseln zu können. Doch alle Versuche, unser physikalisches Verständnis entsprechend auszuweiten, blieben bislang erfolglos. In Teilchenbeschleunigern und gigantischen Detektorexperimenten fand sich noch keine Spur der mysteriösen Teilchen. Im Prinzip kann dieser Misserfolg zweierlei bedeuten: Entweder man hat noch nicht genügend gründlich gesucht. Oder – die radikalere Deutung – das auf der Allgemeinen Relativitätstheorie beruhende Standardmodell ist falsch, und es gibt gar keine Dunkle Materie. Die große Mehrheit aller Astrophysiker würde unser derzeitiges kosmologisches Modell allerdings nicht aufgeben wollen – Einsteins Theorie hat bislang schließlich alle empirischen Tests mit Bravour gemeistert. Aber ist dieses Vertrauen gerechtfertigt?

Wachstumsschub für kosmische Srukturen

Der 2009 gestartete Planck-Satellit der ESA hat die bisher genaueste Karte der kosmischen Mikrowellenstrahlung geliefert.
Der 2009 gestartete Planck-Satellit der ESA hat die bisher genaueste Karte der kosmischen Mikrowellenstrahlung geliefert. Illustration: ESA (C. Carreau)
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Kurz nach dem Urknall gab es im Kosmos winzige Dichtevariationen. Diese waren die Keimzellen für all die Strukturen, die wir heute im Universum beobachten: Mit der Zeit wuchsen die Dichteunterschiede immer stärker an und bildeten Galaxien, Galaxienhaufen und Ansammlungen von Galaxienhaufen. Denn dort, wo die Dichte größer war, wirkte die Anziehung der Materie der Expansion des Kosmos entgegen und vergrößerte so den Dichtekontrast.

Wenn man die Expansionsgeschichte des Universums kennt und das mit unseren heutigen Beobachtungen der Materiestrukturen in unserer Umgebung kombiniert, kann man berechnen, wie groß die ursprünglichen Dichteschwankungen zu Beginn der kosmischen Geschichte gewesen sein müssen.

Man kann diese sehr frühen Dichteunterschiede aber auch beobachten, und zwar im kosmischen Mikrowellenhintergrund. Das ist diejenige Strahlung, die etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall begann, sich frei in unserem Kosmos auszubreiten, nachdem das heiße und dichte Universum elektrisch neutral geworden war. Vorher standen Licht und Materie noch in enger Wechselwirkung, und die existierenden Dichteunterschiede schlugen sich in winzigen Temperaturunterschieden der Strahlung nieder.

Die komische Hintergrundstrahlung wurde 1964 zum ersten Mal beobachtet, 1989 entdeckte der COBE-Satellit der NASA in dieser Strahlung die vorhergesagten Temperaturunterschiede. Allerdings waren diese viel schwächer erwartet. Aus entsprechend geringen Dichtevariationen hätten sich die Strukturen unseres Kosmos nicht bilden können – es sei denn, die Gravitation der Materie hatte Unterstützung durch zusätzliche Materie, die nicht mit Licht interagiert, durch Dunkle Materie also. Das bestätigte auch der 2009 gestartete Planck-Satellit der ESA mit seiner hochpräzisen Vermessung des Mikrowellenhintergrundes. sian.

Die Diskussion dieser Frage führt letztendlich in die Wissenschaftsphilosophie, die ausführlich diskutiert, welche Kriterien über die Qualität einer wissenschaftlichen Theorie entscheiden sollten. Der amerikanische Astrophysiker David Merritt vom Rochester Institute of Technology etwa zog 2016 Karl Popper heran, um seine Unzufriedenheit mit den dunklen Bestandteilen unserer Kosmologie zu artikulieren. Dunkle Energie und Dunkle Materie seien nichts anderes als Hilfshypothesen, die als Reaktion darauf eingeführt worden seien, dass das Standardmodell durch Beobachtungen falsifiziert wurde, schrieb er. Anders ausgedrückt: Immer da, wo sich sichtbare Materie nicht so verhält, wie man es dem Standardmodell gemäß erwarten würde, könne man Dunkle Materie postulieren, deren Gravitation Beobachtung und Erwartung in Einklang bringt – anstatt den Popper’schen Standards gemäß das theoretische Modell anzuzweifeln. Auch im Umgang mit kosmologischen Simulationen, die insbesondere bei der Beschreibung von Zwerggalaxien mit Schwierigkeiten zu kämpfen haben, ist solche Kritik immer wieder zu vernehmen: Dort würden die Berechnungen durch die Einführung baryonischer Physik, also etwa der Wirkung von Supernovaexplosionen und Sternentstehungen, nachträglich an die Beobachtungen angepasst. Besteht also die Gefahr, dass die Annahme Dunkler Materie gegenüber empirischer Falsifikation immun ist? Ist sie der Äther unserer Zeit?

Wer die fast hundert Jahre zurückreichende Geschichte der Dunklen Materie genauer nachvollzieht, wird feststellen, dass diese Anwendung des Popper’schen Falsifikationismus hier etwas zu kurz greift. Erstens wird deutlich, dass in der Praxis meist gar nicht klar ist, wie schnell man eine Theorie aufgeben sollte, wenn sie in Konflikt mit Beobachtungen gerät. Schließlich gibt es viele historische Beispiele, in denen technologischer Fortschritt und verbesserte theoretische Werkzeuge scheinbare empirische Widersprüche auflösen konnten. Wissenschaftlicher Fortschritt ist ohne ein großes Maß an Geduld und Beharrlichkeit nicht denkbar. Zweitens ist die kosmologische Rolle der Dunklen Materie deutlich komplexer als die einer einfachen Hilfshypothese. Dass an so vielen Stellen im Kosmos – innerhalb von Galaxien, in Galaxienhaufen und in der Entwicklung des Universums insgesamt – Beobachtungen in konsistenter Art und Weise auf Dunkle Materie hinweisen, ist alles andere als selbstverständlich: Die aus diesen Beobachtungen abgeleiteten grundsätzlichen Eigenschaften der exotischen Materieteilchen, wie deren Häufigkeit oder deren Geschwindigkeit im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit, stimmen schließlich überall überein.

Das hier auftauchende Argument für die Realität Dunkler Materie wird in der Wissenschaftstheorie auch als „Wunder-Argument“ bezeichnet. Wäre Dunkle Materie ein reines Hirngespinst, wäre sehr verwunderlich, dass methodisch so vielfältige Beobachtungen völlig unterschiedlicher kosmischer Objekte übereinstimmend auf deren Existenz hindeuten. Das deckt sich mit unserer Alltagserfahrung: Wenn wir von einer Tatsache aus vielen unabhängigen Quellen erfahren, dann billigen wir ihr eine besonders hohe Glaubwürdigkeit zu. Die moderne „Multi-Messenger-Astrophysik“, die elektromagnetische Strahlung vom Radio- bis zum Gammabereich, kosmische Strahlung, Neutrinos und Gravitationswellen kombiniert, ist hier der Schlüssel für das große Vertrauen, das Astrophysiker in ihre gängigen Modelle haben. Eine kritische Haltung ist dennoch stets Bestandteil guter wissenschaftlicher Praxis, und bei der Erforschung der Natur Dunkler Materie ist weiterhin mit Überraschungen zu rechnen. Wer empirische Naturwissenschaft in ihrer Funktionsweise verstehen will, kann aus der Geschichte dieser Suche viel lernen.

„Dunkle Materie. Das große Rätsel der Kosmologie“ erscheint im Verlag C.H. Beck
„Dunkle Materie. Das große Rätsel der Kosmologie“ erscheint im Verlag C.H. Beck Foto: Verlag C.H. Beck
Sibylle Anderl hat zu diesem Thema ein Buch verfasst: „Dunkle Materie. Das große Rätsel der Kosmologie“: 85 Prozent der Materie in unserem Universum existieren in einer Form, die wir nicht direkt beobachten können und die mit den uns bekannten Materieteilchen allenfalls sehr schwach in Interaktion treten: Die Dunkle Materie ist ein großes, vielleicht das größte Rätsel der Kosmologie. Wer sie zu verstehen versucht, streift fast alle Themen, die unser Kosmos bereithält: Von der Entwicklung und Dynamik der Galaxien über Galaxienhaufen bis zu den größten kosmischen Strukturen und schließlich die Zeit kurz nach dem Urknall und die Entwicklung unseres Universums im Ganzen. Der Band erscheint am 17. März 2022 bei C.H. Beck Wissen, 128 Seiten, 9,95 Euro.

Quelle: Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung

Veröffentlicht: 16.03.2022 08:24 Uhr