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Die Grundlagen des Wissens

Dunkle Materie Die geheimnisvollen Kräfte im Kosmos

Zwei gewaltige Mächte prägen das Universum: Die Physikerin Laura Baudis erklärt, was Forscher über diese Kräfte wissen – und wie komplexe Experimente ihre rätselhaften Eigenschaften aufdecken sollen
Universum Laura Baudis

Physikerin Laura Baudis erklärt die zwei Mächte, die unser Universum prägen

Frau Professor Baudis, Sie beschäftigen sich mit einem der großen Rätsel des Universums, der Dunklen Materie. Warum?

Prof. Laura Baudis: Die Dunkle Materie ist eine ganz besondere Form von Materie: Wir können sie nicht sehen, da sie nicht leuchtet. Weder strahlt sie Licht ab – im Gegensatz zur sichtbaren Materie eines Sterns. Noch reflektiert sie Licht – anders als die sichtbare Materie, aus der zum Beispiel Steine, Wolken oder unser Körper bestehen. Die Dunkle Materie ist mithin völlig durchsichtig und für uns gänzlich unsichtbar.
Wir gehen davon aus, dass sie wie die sichtbare Materie auch aus dem Urknall hervorgegangen ist und somit die Ent­wicklung des Weltalls von Anfang an mitgeprägt hat. Doch im Gegensatz zur sicht baren Materie kennen wir ihre Zusam­mensetzung nicht. Wir können anhand komplizierter Messungen zwar Rück­schlüsse darauf ziehen, welche Masse die Dunkle Materie im Universum einnimmt und wie sie verteilt ist. Ob sie aber aus einer Sorte von Teilchen besteht oder aus unterschiedlichen, lässt sich noch nicht mit Gewissheit sagen.
Und zur Lösung dieses Rätsels beizu­tragen, das reizt mich ungemein.

Weshalb haben sich keine Sterne aus der Dunklen Materie gebildet?

Das liegt unter anderem daran, dass sich deren Teilchen offenbar ganz an­ders verhalten als die der sichtbaren Ma­terie. In der uns bekannten Welt treten die kleinsten Teilchen – etwa Quarks – in vielfache Wechselwirkung miteinander. Ein Beispiel: Mehrere Quarks schließen sich zu größeren Partikeln, den Protonen und Neutronen, zusammen. Die wieder­um bilden die Kerne von Atomen, in deren Hülle winzige Elektronen schwir­ren. Und die Kerne können unter hohem Druck miteinander verschmelzen – das geschieht in Sternen. So werden andere Elemente gebacken. Aus Wasserstoff wird Helium, dann Lithium, später Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen. Und verschiedene Elemente können schließ­lich Verbindungen eingehen – Wasser­stoff und Sauerstoff etwa bilden Wasser.
Die Partikel der Dunklen Materie dagegen treten kaum in Wechselwirkung miteinander; sie bilden wahrscheinlich schon auf der Ebene der Teilchen keine komplexeren Strukturen. Sie schwirren eher einzeln und frei umher, wie die Teil­chen in einem idealen Gas.

Was ist noch über die mysteriösen Teil­chen der Dunklen Materie bekannt?

Erstaunlich wenig. Obwohl sie mehr als 80 Prozent der Materie im Universum ausmachen und es zahlreiche Projekte gibt, die einen Nachweis zum Ziel haben, ist es bisher nicht gelungen, auch nur ein ein­ziges Teilchen der Dunklen Materie direkt mithilfe eines Detektors aufzuspüren.
Eine Zeit lang dachten die Forscher, dass es sich bei der Dunklen Materie in Wahrheit um Neutrinos handeln könnte, winzige Elementarteilchen, die sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit fortbe­wegen und ebenfalls durch gewöhnliche Materie hindurchsausen. Inzwischen wis­sen wir aber, dass die gesamte Masse der Neutrinos nicht ausreicht, um die Wir­kung der Dunklen Materie zu erklären.
Es müssen also noch völlig unbe­kannte Teilchen dahinterstecken.

 

Wo kommt die Dunkle Materie vor?

Sie existiert überall im Universum, sie durchzieht das gesamte All. Die Dunkle Materie ist auch hier auf der Erde vorhanden, wir werden sogar beständig von ihr durchströmt: Die Partikel, aus de­nen die Dunkle Materie besteht, wehen einfach durch uns hindurch. Nur be­kommen wir davon überhaupt nichts mit.

Weshalb merken wir nicht, dass uns die Teilchen durchströmen?

Weil sie mit den Atomen, die unse­ren Körper bilden, nicht – oder kaum – in­teragieren. Daher fühlen wir sie nicht, wir haben keine Sensoren, sie wahrzuneh­men. Aber die Dunkle Materie ist stets da.

Von wie vielen dieser Partikel werden wir durchströmt?

Einer gängigen Theorie zufolge rau­schen durchschnittlich pro Sekunde rund 100.000 Teilchen der Dunklen Materie durch eine Fläche, die so groß ist wie ein Daumennagel. Das mag viel klingen, ist aber tatsächlich vergleichsweise wenig. Denn die Dichte der Dunklen Materie liegt damit hier auf der Erde, wo die sicht­ bare Materie extrem kompakt ist, rund 20 Größenordnungen unter der von Luft. Deshalb übt ihre Masse auch keine beson­dere Anziehungskraft auf unseren Körper aus. Ihre Wirkung macht sich erst in größerem Maßstab – auf der Ebene von Galaxien – bemerkbar.

Die Dunkle Materie scheint sich der uns bekannten Welt zu entziehen. Wie sind Physiker auf ihre Existenz gestoßen?

Schon in den 1930er Jahren hat der Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky die Existenz einer unsichtbaren Form von Materie postuliert. Der Wissenschaftler hatte die Geschwindigkeit mehrerer weit entfernter Galaxien beobachtet, die eine Art Ansammlung bilden. Aufgrund kom­plexer Berechnungen stellte Zwicky fest, dass die Galaxien eigentlich auseinander­ fliegen müssten. Gäbe es nur die sicht­bare Materie, also hauptsächlich die Mas­se der Sterne und des Gases dazwischen, dürften sich gar keine Galaxienhaufen bilden – ihre Gravitationskraft wäre schlicht nicht groß genug, die Sternen­archipele aneinander zu binden.

Was nahm Zwicky an?

Es musste weitaus mehr als die sicht­bare Materie vorhanden sein – etwas, das die Galaxien wie eine Art Klebstoff zusammenhält. Doch Zwickys Theorie wurde von Kollegen belächelt, seine Ent­deckung lange Zeit ignoriert.
Erst in den 1970er Jahren machte die US­-Physikerin Vera Rubin eine weitere revolutionäre Beobachtung, die schließ­lich auch von Astrophysikern weltweit ernst genommen wurde: Sie ermittelte, mit welchem Tempo sich Sterne um das Zentrum einer Galaxie bewegen. Dabei stellte die Forscherin fest, dass die unter­ schiedlichen Geschwindigkeiten der Ge­stirne nur durch die Existenz einer gro­ßen, unbekannten Masse zu erklären sind. Wäre allein die sichtbare Materie vorhanden, müssten sich den Gesetzen der Physik zufolge jene Sterne, die sich weit entfernt vom Zentrum einer Galaxie befinden, weitaus langsamer bewegen, als sie es tatsächlich tun.

 

Universum dunkle Mächte

Gab es weitere Hinweise auf die Existenz der Dunklen Materie?

Ja, etwa den Gravitationslinseneffekt: Dunkle Materie, die Galaxien umgibt, lenkt das Licht ferner, weit dahinter lie­gender Himmelskörper durch ihre im­mense Masse und die dadurch wirkende Gravitationskraft ab. Das Resultat: Von der Erde aus gesehen, erscheinen die hin­ter der Galaxie befindlichen Objekte ver­zerrt – gerade so, als würde man sie durch eine Art Linse betrachten.

Und es findet sich noch ein ande­rer Hinweis auf die Existenz der Dunk­len Materie. Es gibt eine Strahlung, die das ganze All erfüllt, sie stammt aus der Frühzeit des Universums und ist eine Art Echo des Urknalls: die kosmische Hin­tergrundstrahlung. Durch deren präzise Vermessung kann man berechnen, wie viel Masse schon in der Urzeit des Universums vorhanden war.

Diese physikali­schen Quantifizierungen offenbaren, dass die Masse weitaus höher ist als jene, aus der die für uns wahrnehmbare Welt – etwa Sterne, Planeten, Asteroiden, Gaswolken – besteht. Man könnte auch sagen: Man hat das All gewogen und festgestellt, dass noch ein erheblicher Teil an Materie fehlt.

Wie viel Dunkle Materie gibt es?

Die Dunkle Materie macht etwa 85 Prozent der Gesamtmaterie im Kos­mos aus, die sichtbare den Rest.

 

Wie hat die Dunkle Materie die Entwick­ lung unseres Universums beeinf lusst?

Sie hat bei der Entwicklung des Alls gewissermaßen die Hauptrolle gespielt, denn sie hat dem Kosmos Struktur gege­ben. Keines der spektakulären, riesenhaf­ten Gebilde, die wir im Universum erbli­cken – etwa Galaxien, Galaxienhaufen oder auch netzartige Verbände aus Tau­senden Galaxienhaufen –, kann ohne die Kraft der Dunklen Materie erklärt werden.
Inzwischen können Physiker mithil­fe moderner Computersimulationen die Strukturbildung und insbesondere die Entstehung der Galaxien im Universum recht genau nachvollziehen. Diese Simu­lationen kommen ohne die Dunkle Mate­rie gar nicht aus.

Und wenn man bei Simulationen die Dunkle Materie außen vor lässt?

Berücksichtigen Forscher in den Be­rechnungen ausschließlich die Teilchen, aus denen die sichtbare Materie besteht, bilden sich weder Sterne noch Galaxien. Das All sähe ohne die Dunkle Materie heute recht öde aus: Es gäbe zwar Atome – Wasserstoff, Helium. Aber der Kosmos wäre finster, keine Sonne würde leuchten, keine Planeten schwirrten umher. Das Universum wäre erfüllt von einem dün­nen Gas, hauptsächlich aus Wasserstoff.

Wie hat die Dunkle Materie Struktur ins All gebracht?

In der Frühzeit des Alls war die Dunkle Materie nicht gleichmäßig im Raum verteilt. In einigen Regionen gab es etwas mehr, dort schwirrten die Dunkle­-Materie-­Teilchen etwas dichter umher. Da die Partikel eine Masse besitzen und mithin Schwerkraft entfalten, sammelte sich mit der Zeit – getrieben von der Gravitation – an den dichten Stellen im­mer mehr Dunkle Materie. Es bildeten sich schließlich riesige kugelförmige An­sammlungen Dunkler Materie, die Halos.

Diese Kugeln entwickelten eine un­geheure Gravitationskraft, die auch riesige Mengen sichtbarer Materie anzog. Die Halos sogen gleichsam Wasserstoffatome aus der Umgebung an, die mit der Zeit gigantische Wolken bildeten.

Und erst als sich der Wasserstoff der­art zusammenbraute, konnte er selbst eine für die weitere Entwicklung des Alls relevante Gravitationskraft entwickeln. In der Folge ballte sich in manchem Wolkenteil so viel Wasserstoff­-Gas, dass es zur atomaren Fusion kam – und die ersten Sterne zündeten.

Inmitten der Halos aus Dunkler Ma­terie war die Gravitation am stärksten, dort sammelte sich das meiste Wasser­stoff­-Gas, dort zündeten die meisten Ster­ne. Und die leuchtenden Himmelskörper formierten sich schließlich – ebenfalls durch die gewaltige Kraft der Dunklen Materie dirigiert – zu jenen glitzernden Sterneninseln, die wir milliardenfach im All bestaunen können: den Galaxien.

 

Das vollständige Interview lesen Sie in GEO Kompakt Nr. 51 "Die Geburt des Universums".

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