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Wenn das Weltbild von Dunkelheit dominiert wird

Von SIBYLLE ANDERL mit Illustrationen von ATTILA FUTAKI

12.07.19 · Unser derzeitiges kosmologisches Standardmodell ist empirisch überaus erfolgreich, und doch verstehen wir nur fünf Prozent des Universums.

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D ie Zwiespältigkeit unseres aktuell vorherrschenden kosmologischen Weltbildes liegt nicht zuletzt in seiner Dunkelheit begründet. Und damit ist nicht die Dunkelheit des Nachthimmels gemeint. Vielmehr geht es um die Gesamtheit all dessen: um die Energie und die Materie, die unser Universum füllt. Nur fünf Prozent dieser Gesamtheit bestehen aus Materie, die wir kennen und die mit Licht wechselwirkt. Der Rest ist Dunkle Energie und Dunkle Materie. Und beides verstehen wir bisher noch nicht im Rahmen der Standard-Physik, auf die wir uns ansonsten verlassen können.

Es ist leicht, diese beiden Phänomene als Symptome einer tiefgreifenden Krise zu interpretieren, als moderne Formen eines „Äthers“, eines theoretischen Konzeptes also, das nichts wirklich Existierendem entspricht, sondern nur darauf hinweist, dass mit der zugrundeliegenden Theorie etwas nicht stimmt. Dabei darf aber nicht außer Acht gelassen werden, dass es eine Fülle von empirischen Hinweisen auf die Existenz von Dunkler Energie und Dunkler Materie gibt - wobei die Hinweise auf Letztere noch einmal deutlich zahlreicher und konkreter sind als diejenigen auf Erstere.

Ein überraschendes Resultat

Im Jahr 1933 hatte der Schweizer Astronom Fritz Zwicky in einem Artikel Beobachtungen von Galaxienhaufen - gravitativ aneinandergebundenen Ansammlungen vieler Galaxien - beschrieben. Unter Anwendung des sogenannten Virialsatzes, der die im Haufen vorhandenen mittleren Bewegungsenergien und die durch das Gravitationsfeld hervorgerufenen potentiellen Energien zueinander in Beziehung setzt, kam er zu dem überraschenden Schluss, dass die Dichte der beobachtbaren Materie nicht ausreicht, um den Galaxienhaufen stabil zusammenzuhalten. „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.“ Mit diesem Fazit wurde Zwicky zum Schöpfer des Begriffs der „Dunklen Materie“.

Seine Beobachtungen wurden bestätigt, mögliche Erklärungen (intergalaktische Materie, Instabilität der Systeme) erdacht und wieder verworfen. Technologische und theoretische Entwicklungen wie die Inbetriebnahme von Röntgensatelliten und die Auswertung des Gravitationslinseneffekts, der Eigenschaft von Massen, anhand der von ihnen verursachten Raumzeitkrümmung wie eine optische Linse zu wirken, offenbarten das von Zwicky in Galaxienhaufen entdeckte Massendefizit auch anhand völlig unabhängiger Beobachtungsmethoden.

Fehlende Masse in Galaxien

Währenddessen hatte sich eine Massendiskrepanz aber auch an anderen Stellen im Kosmos gezeigt. 1969 beschrieben unabhängig voneinander einerseits Vera Rubin und Kent Ford und andererseits Ken Freeman die Bewegungen von Sternen und Gas in den Scheiben naher Spiralgalaxien. Auch hier schien Masse zu fehlen: Die sichtbare Materie in den Galaxien war nicht ausreichend, die rotierende Scheibe stabil zu halten. „Wenn die Daten korrekt sind, muss es in den Galaxien zusätzliche, unentdeckte Materie geben“, schließt Ford in seinem Artikel. Doch auch im Anschluss an diese Auftaktarbeiten blieb die Interpretation des gemessenen Effektes erst einmal umstritten. Bis beide astronomischen Communities, also diejenige der Galaxienhaufen und diejenige, die Einzelgalaxien studierte, verstanden, dass ihre jeweiligen Massendefizite etwas miteinander zu tun hatten, dauerte es fünf Jahre.

Es waren im Jahr 1974 Kosmologen, die wiederum auf ganz anderen kosmischen Skalen - den größtmöglichen - arbeiteten, die die verschiedenen Hinweise zusammenbrachten. Aus weltanschaulichen Gründen wurde damals unter denjenigen gemäß Einsteins Relativitätstheorie theoretisch möglichen Universen ein geschlossenes favorisiert. Für die Existenz eines geschlossenen Universums fehlte den Kosmologen allerdings Masse - nicht aber, wenn man die fehlende Masse auf kleineren Skalen berücksichtigte. Heute wissen wir, dass wir tatsächlich nicht in einem geschlossenen Universum leben, sondern in einem flachen, sich beschleunigt ausdehnenden. Trotzdem finden wir nach wie vor die vielleicht überzeugendsten Hinweise auf die Existenz Dunkler Materie in der Kosmologie: Wenn wir beispielsweise die thermische Geschichte des Universums kurz nach dem Urknall verfolgen, etwas, das unser kosmologisches Modell mit großer Genauigkeit erlaubt, dann können wir sehr genau die Entstehung der ersten Elemente theoretisch beschreiben und insbesondere die relativen Häufigkeiten von Helium und Wasserstoff, die wir heute messen können. Diese Vorhersage, dass, wie beobachtet, 25 Prozent der „Baryonen“ - schwere Teilchen wie Protonen und Neutronen - als Helium existieren, ruht auf der Voraussetzung, dass Baryonen nur einige Prozent der im Universum existierenden Gesamtmasse ausmachen. Der Rest: Dunkle Materie.

Das Universum sähe anders aus

Auch strukturell sähe das Universum ohne Dunkle Materie anders aus. Die winzigen Dichtefluktuationen aus der Frühzeit des Kosmos, deren Abbild wir heute noch in den Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen, hätten nicht ausgereicht, zu den Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen anzuwachsen, von denen wir heute umgeben sind. Ihre Wirkung musste durch Dunkle Materie verstärkt werden - die mit Licht nicht wechselwirkt und daher in der kosmischen Hintergrundstrahlung keine Spuren hinterlassen hat. Gleichzeitig können wir durch die Strukturentstehung auch etwas über die Eigenschaften der Dunklen Materie lernen. Sie kann nicht zu heiß gewesen sein, denn ansonsten hätte sie die Dichtefluktuationen normaler Materie verwischt und damit abgeschwächt.

In den Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung steckt aber noch ein weiterer Hinweis auf die Existenz Dunkler Materie. Zum Zeitpunkt ihrer Entstehung 380 000 Jahre nach dem Urknall befanden sich die Baryonen in Schwingungen. Einerseits wurden sie durch die Gravitation zusammengeklumpt, andererseits trieb ihr Druck sie wieder auseinander. Zur Gravitation leistete auch die Dunkle Materie einen Beitrag, zum Druck nicht. Die Bewegung der Baryonen entspricht anhand des Dopplereffekts (sich entfernende Quellen erscheinen röter, also energieärmer) wiederum Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die Stärke der Schwankungen kodiert für uns bis heute den Anteil Dunkler Materie.

Dunkle Materie zeigt sich also auf vielen verschiedenen Skalen, durch viele voneinander völlig unabhängigen Beobachtungen. Alles passt auf geradezu überraschende Weise zusammen. Diese Tatsache verleiht dem Konzept große Glaubwürdigkeit. Und doch herrscht Unzufriedenheit. Denn was diese Materie tatsächlich ist, darauf findet sich seit Jahrzehnten keine Antwort. Ausschließen konnte man, dass es sich um bekannte astrophysikalische Phänomene handelt - Braune Zwerge, Schwarze Löcher; denn davon gibt es schlicht zu wenig. Im Standardmodell der Teilchenphysik findet sich zudem kein Elementarteilchen mit den passenden Eigenschaften. Das ist an sich nicht schlimm, denn die Teilchenphysiker sind mit ihrem Standardmodell - das drei „Generationen“ von Materie, vier Eichbosonen für den Austausch von starker, schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkung und das Higgs-Boson umfasst - ohnehin aus verschiedenen theoretischen Gründen unzufrieden und würden sich gerne auf eine Erweiterung einlassen. Hypothetische Kandidaten gibt es einige, populäre Vertreter sind etwa die „Wimps“ (weakly interacting massive particles), Axionen oder sterile Neutrinos.

Intensive Suche ohne Ergebnis

Insbesondere nach den Wimps, einer theoretisch besonders eleganten potentiellen Variante der Dunklen Materie, sucht man seit Jahrzehnten intensiv und ohne Erfolg. Direkte Suchmethoden halten Ausschau nach Anzeichen für Streuprozesse zwischen Wimps und Atomkernen, genauer gesagt nach Prozessen, die auf die dabei übertragene Rückstoßenergie schließen lassen. Indirekte Methoden fahnden nach Anzeichen für den Zerfall von Teilchen Dunkler Materie in Teilchen des Standardmodells, der zu charakteristischen Signaturen etwa als Gammastrahlung, in Form von kosmischer Strahlung oder Neutrinos führen sollte. Hier ist die Herausforderung, die gesuchten Signale vor dem Hintergrund astrophysikalischer Quellen zu identifizieren. Und schließlich wird Dunkle Materie in Beschleunigern wie dem LHC am Cern in Genf gesucht, wo sie sich durch einen fehlenden Transversalimpuls in Teilchenkollisionen verraten sollte. Trotz zahlreicher Experimente weltweit stehen eindeutige Hinweise auf Dunkle Materie allerdings nach wie vor aus - und das trotz anders lautender Erwartungen.

Es ist diese lange Geschichte von Enttäuschungen, die nicht enden wollende Reihe erfolgloser Suchen, die einige Physiker am Konzept der Dunklen Materie heute zweifeln lässt. Vielleicht, so die Überlegung, suchen wir nach etwas, das gar nicht existiert. Vielleicht ist stattdessen das den Suchen zugrundeliegende und auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beruhende kosmologische Modell das Problem. Vielleicht brauchen wir eine alternative Gravitationstheorie. Solche Überlegungen werden dadurch befeuert, dass das kosmologische Standardmodell Lambda-CDM (CDM steht für „cold dark matter“) auf kleinen Skalen wie denen von Zwerggalaxien ein paar Probleme hat: Die Vorhersagen für die Anzahl solcher Zwerggalaxien liegen zu hoch, deren räumliche Verteilung ist rätselhaft, und ihre Dichtestruktur entspricht nicht den Erwartungen. Das könnte alles daran liegen, dass die numerische Modellierung von Galaxien furchtbar kompliziert ist. Es könnte aber auch am Modell selbst liegen.

Eine neue Kosmologie?

In diesem Fall gäbe es durchaus Alternativen. Insbesondere MOND („modified Newtonian dynamics“), eine Theorie, deren Grundstein 1983 von Mordehai Milgrom gelegt wurde und die das Gravitationsgesetz für kleine Beschleunigungen modifiziert, wird von einigen für attraktiv gehalten. Tatsächlich ist sie gerade dort erfolgreich, wo Lambda-CDM Probleme hat: auf Skalen einzelner Galaxien. Auf größeren Skalen und insbesondere bei kosmologischen Phänomenen bleibt sie hinter den Erfolgen des Standardmodells aber klar zurück. Weil es die schlechtere Theorie ist? Oder weil sie einfach noch nicht so weit entwickelt ist wie ihr Konkurrent? Die Mehrheit der Astrophysiker findet die Alternativen zu Einstein bislang zumindest nicht so überzeugend, dass sie das Konzept der Dunklen Materie aufgeben würde. Stattdessen hoffen sie weiter darauf, dass die zahlreichen Suchen endlich einen Ansatzpunkt, eine unerwartete Beobachtung einen Hinweis auf „neue Physik“ liefern können.

Was steckt hinter der Dunklen Energie?

Die Frage nach der Natur der Dunklen Energie, die gut 68 Prozent des kosmischen Energie-Materie-Gehalts ausmacht, gestaltet sich indes nicht weniger einfach. 1998 hatten zwei Forschergruppen anhand der Beobachtung von Supernovae die beschleunigte Expansion des Universums nachgewiesen, 2011 bekamen Brian Schmidt, Adam Riess und Saul Perlmutter dafür den Physik-Nobelpreis. Der Effekt wurde seitdem durch unabhängige Messungen wie die Auswertung der kosmischen Hintergrundstrahlung bestätigt. Als treibende Kraft hinter dieser immer schnelleren Ausdehnung vermutet man die Dunkle Energie. Beschreiben kann man ihren Effekt im Rahmen der Einsteinschen Feldgleichungen als kosmologische Konstante - ein Extraterm, den Einstein einst einführte, um ein stationäres Universum zu ermöglichen, und dann wieder verwarf. Die empirischen Daten stehen mit dieser Beschreibung in Einklang, es könnten aber auch andere Phänomene als die kosmologische Konstante hinter der Dunklen Energie stecken: etwa ein skalares, räumlich und zeitlich variierendes „Quintessenz“-Feld.

Doch auch hier gibt es wieder die Alternative, die Existenz Dunkler Energie anzuzweifeln und stattdessen eine Modifikation des kosmologischen Modells zu fordern. Vielleicht führt uns das ihm zugrundeliegende „Kosmologische Prinzip“, die Annahme, dass das Universum auf den entscheidenden großen Skalen überall und in allen Richtungen gleichförmig ist, in die Irre? Vielleicht ist auch bereits die Annahme falsch, dass sich das Schicksal des Universums auf den ganz großen Skalen entscheidet? Die Europäische Weltraumagentur plant für 2022 mit der Euclid-Mission den Test einiger der Voraussetzungen des kosmologischen Standardmodells, indem die kosmische Expansion während der vergangenen zehn Milliarden Jahre präzise vermessen wird.

Hinweise auf die Natur der Dunklen Energie könnte es vielleicht bald noch aus einer anderen Richtung geben: Die Vermessung der Hubble-Konstanten, durch die die Rate der Expansion beschrieben wird, verwirrt mit Ergebnissen, die unterschiedlich ausfallen, je nachdem, welche Messmethode man anwendet. Misst man die Expansion so wie Schmidt, Riess und Perlmutter im „lokalen“ Universum anhand von Supernovae, erhält man einen Wert der Hubble-Konstanten von rund 73 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec (wobei Letzteres ein kosmisches Entfernungsmaß ist). Bestimmt man die Hubble-Konstante aber auf der Grundlage der kosmischen Hintergrundstrahlung, liegt der resultierende Wert bei rund 67 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec. Messungenauigkeiten scheinen für die Diskrepanz nicht verantwortlich zu sein. Ein Anzeichen also für „neue Physik“? Für eine neue Kosmologie? Wiederum erhofft man sich Aufschluss durch neue, bessere Beobachtungen. Kein Zweifel: Wir leben in einer Zeit vieler offener Fragen, die Ausblick auf bevorstehende Revolutionen unseres Weltbilds zu geben scheinen.

Quelle: F.A.Z.

Veröffentlicht: 12.07.2019 15:20 Uhr