In einer sternklaren Nacht, gibt es am Himmel viel zu entdecken. Ob Planeten, Satelliten, Nebel oder Sterne, abhängig vom Beobachtungsstandort ergeben sich für den Beobachter viele unterschiedliche Ansichten des nächtlichen Himmels. Dabei fällt oft der Gedanke an, dass die Dinge und physikalischen Hintergründe der zu beobachtenden Objekte einiges an Komplexität bieten, und aufgrund dessen nur mit Schwierigkeiten in voller Gänze zu verstehen sind. Trotzdem, ist all ihnen ein wesentlicher Punkt gemeinsam: Sie strahlen! Und das, entweder aus eigener Kraft oder weil sie von anderen Körpern im Kosmos die tatsächlich strahlen, angeleuchtet werden und so das Licht reflektieren, das später in unser Auge fällt.

 

Überhaupt ist Strahlung nicht nur für den Beobachter des Nachthimmels ein wichtiges Merkmal um sich ein detailgetreues Bild des weiten Kosmos zu verschaffen. Für den Astronomen ist Strahlung wie ein Fingerabdruck! Sie ist das einzige, was Wissenschaftlern auf der Erde von den Objekten zur Verfügung steht, die sich Hunderte bis Milliarden Lichtjahre weit entfernt von uns befinden. Sämtliche Informationen aus der Fachliteratur, wissenschaftlichen Veröffentlichungen und astrophysikalischen Neuerkenntnissen finden ihren Ursprung, in einer detailierten Untersuchung des Lichts, das Objekte aus dem Kosmos auf die Erde schicken. Der folgende Text, erscheint vermutlich deswegen so dubios, weil genau diese wissenschaftliche Ansicht über den Erkenntnisgewinn von astronomischen Körpern, im speziellen vorliegenden Fall außer Kraft gesetzt wird! Fangen wir also direkt mit der Entdeckung der Substanz an, die die Kosmologie seit Jahrzehnten umtreibt: Dunkle Materie.

 

Wir schreiben das Jahr 1933. Der amerikanische Astronom Fritz Zwicky, sitzt an seinem Teleskop. Gegenwärtig arbeitet er an seinem Studium zum Coma-Galaxienhaufen. Galaxienhaufen sind riesige im Kosmos anzutreffende Zusammenschlüsse aus tausenden Galaxien, die auf verhältnismäßig engem Raum aufgrund ihrer Gravitationskräfte miteinander wechselwirken. Fritz Zwicky schaffte es, für viele verschiedene Einzelgalaxien des Haufens, ihre Radialgeschwindigkeiten zu ermitteln. Radial meint hier, die geradlinige Bewegung eines Objeketes entlang unserer Sichtlinie. Zwicky war, trotz seiner etwas größeren Verschrobenheit, ein sehr erfolgreicher Astronom, der unter anderem auch die Existenz heute nachgewiesener Neutronensterne postulierte. Er wusste damals schon, dass Massen ausschließlich von anderen Massen beschleunigt werden konnten. So schloss er schließlich von der Bewegung der Einzelgalaxien auf die Masse, die im gesamten Haufen zusammenkommen musste, um die beobachtete Kinematik der Galaxien zu garantieren. Problematisch dabei war, dass im sichtbaren Bereich des Galaxienhaufens scheinbar nicht genug Masse da war. Alleine das, was optisch zu erkennen war konnte unmöglich die nachgewiesenen hohen Einzelgeschwindigkeiten der Galaxien erklären. Den Astronomen blieb ab jetzt wohl oder übel nichts anderes übrig als sich mit der großen Wahrscheinlichkeit der Existenz einer bislang ominösen Materieform anzufreunden, die elektromagnetisch nicht wechselwirkt, aber Schwerefelder erzeugt; die Dunkle Materie.

 

Dunkle Materie, blieb über Jahre hinweg ein Einzelfall, von dem man nicht ausging, dass er signifikante Änderungen in der Wissenschaftsdisziplin ,,Kosmologie“ bewirken könnnte. Allerdings häuften sich Beobachtungen wonach es unausweichlich schien, eine Materiform zu postulieren, die beobachtete und optisch unerklärliche Effekte vor allem gravitativer Natur selbstkonsistent erklärt. Der nächste gravierende Schritt in Richtung Dunkler Materie folgte, als man die Rotationskurven von Spiralgalaxien genauer vermaß. Spiralgalaxien sind axialsymmetrische Gebilde und die Objekte in einer Galaxie rotieren um einen Mittelpunkt. Auch hier läuft es auf das schon oben genannte Verfahren hinaus: Aus der visuellen Beobachtung der Helligkeitsverteilung einer Galaxie, kann auf den Verlauf der Massendichte in der Scheibe geschlossen werden. Wenn eine Galaxie einen hellen Kern besitzt und die Helligkeit nach außen entsprechend einer Gauß-Verteilung abnimmt, muss es auf folgende Beobachtung hinauslaufen: Zunächst steigt die Rotationsgeschwindigkeit der Galaxie bis auf einen Maximalwert an. Von dort müsste sie nach relativ kurzer Zeit wieder langsam abfallen und sich niedrigeren Werten nähern. Was beobachtet man stattdessen?

 

Entgegen der allgemeinen Erwartung, die auf der Modellierung des Massenverlaufs in der galaktischen Scheibe fußt, steigt die Rotationsgeschwindigkeit einer Spiralgalaxie zwar zunächst an, verbleibt ab dort jedoch auf einem nahezu konstant hohen Wert! Das hatte überrascht und ist auch nur zu erklären wenn man annimmt, dass die Massendichte der Scheibe nach außen hin nicht exponentiell abfällt sondern linear mit dem Radius ansteigt! Auch hier ist die für die beobachteten Beschleunigungen verursachte Materie nicht direkt zu sehen, obwohl sie rein mathematisch da sein MUSS. Schließlich sind Kugelsternhaufen in den Halos von Galaxien ein weiteres wichtiges Indiz zur generellen Prüfung der Massenverhältnisse. Es handelt sich dabei um gravitative Ansammlungen bestehend aus Tausenden Sternen, die sich im Haufen selbst durch hohe Temperaturen (→ hohe kinetische Energie) auszeichnen. Ohne die Existenz einer unsichtbaren Masse, wären die Kugelsternhaufen aufgrund ihrer hohen internen Eigendynamik schon längst aufgelöste Strukturen. Offenbar gibt es aber etwas, dass sowohl die Beobachtung Zwickys aus 1933, die Vermessung der Rotationskurve von Spiralgalaxien und die Existenz galaktischer Kugelsternhaufen selbstkonsistent erklären muss und kann. Und das leistet die Dunkle Materie.

 

 Nach aller Euphorie richtet sich der Blick verstärkt auf die Frage, inwiefern uns das Thema der Dunklen Materie dann noch tangieren muss. Würde es nicht reichen, die obigen Beobachtungen so stehen zu lassen ohne ihnen eine weitere signifikante Bedeutung beizumessen? Weit gefehlt! Beobachtungen und intensive Datenauswertungen der Rotationskurven von diversen Galaxientypen legen nahe, dass die Dunkle Materie eine unüberschätzbare Bedeutung für die vergangene Entwicklung des Universums hatte. Allem voran tun wir gut daran einmal festzuhalten, welche Kriterien die Substanz zu erfüllen hat, die sich Dunkle Materie nennen darf. Sie...

 

- unterliegt nicht der elektromagnetischen Wechselwirkung (ist also unsichtbar)

- ist eine Form von Masse und besitzt ein Gravitationspotenzial

- beschleunigt andere Massen durch ihre bloße Existenz

- spielt eine wichtige Rolle in der galaktischen Dynamik

 

Prüfen wir nach wissenschaftlichen Verfahren also, welche Teilchen als Bestandteil Dunkler Materie infrage kommen. Die erste Aufmerksamkeit richtete sich schnell auf das Neutrino. Es handelt sich um ein sehr kleines Teilchen, dessen Wechselwirkungsquerschnitt unvorstellbar klein ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass es nur selten mit normaler Materie in Wechselwirkung tritt. Das ist auch der Grund, warum jede Sekunde Milliarden von diesen Teilchen durch unseren Körper fliegen ohne, das wir davon etwas merken. Für eine Detektion sind das keine guten Aussichten. Experimente in Japan zeigten dann schließlich, dass Neutrinos eine Masse besitzen. Als geeignerter Anwärter für die Dunkle Materie gelten sie trotzdem nicht, da ihre Masse bei weitem nicht ausreicht um die beobachtete Kinematik in galaktischen Strukturen selbstkonsistent zu erklären. 

Darüber hinaus gibt es ein weiteres wichtiges Argument, dass gegen die Neutrinos als Anwärter der Dunklen Materie spricht; die Nachvollziehbarkeit der Strukturentwicklung ist nicht zu erklären, wenn tatsächlich Neutrinos die Dunkle Materie bilden würden. Das hat damit zu tun, dass Simulationen eindeutig nahelegen, dass sich das Universum einer sogenannten Bottom-Up-Entwicklung unterzogen hat und letztlich alle Strukturen hierarchisch entstanden. Es ist vom Kleinen in das Große gewachsen und nicht umgekehrt. Neutrinos hätten als Komponenten der Dunklen Materie jedoch eine Top-Down-Entwicklung hervorgebracht.

 

Schließlich zeigt sich, dass sich der Kandidatenkreis physikalisch sehr stark einschränkt. Selbst die Plausibilität von sogenannten Macho's (Massive Compact Halo Objects) wurde lange diskutiert. Das belief sich auf die Annahme, dass nicht-leuchtende und schwer zu erfassende Massen wie Schwarze Löcher oder Braune Zwerge die Dunkle Materie bilden könnten. Aufgrund der zu geringen Quantität derartiger Objekte in Galaxien, wurde diese Annahme jedoch schnell wieder verworfen. Das bis heute aussichtsreichste Teilchen ist vermutlich ein sogenanntes Neutralino. Hier handelt es sich um ein SUSY-Teilchen, dass der Modellvorstellung entsprechend supersymmetrische Eigenschaften im Vergleich zur baryonischen Materie hat. Solche Teilchen haben sehr schwere Massen und können nur bei hohen Energiedichten unmittelbar nach dem Urknall entstehen. Problematisch ist auch hier, der direkte Nachweis. Der Wechselwirkungsquerschnitt von Neutralinos ist noch geringer als der von Neutrinos! Was das für Auswirkungen auf die Wahrscheinlichkeit hat, mit der sich ein solches Teilchen in einer Wechselwirkung auch tatsächlich zeigt ist unschwer auszumalen. Die letzte Möglichkeit die Substanz Dunkler Materie zu erklären, wäre die Modifikation eines vermeintlich immer gültigen physikalischen Gesetzes; dem zweiten newtonschen Axiom. Die modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND), spricht einem mathematischen Term ab einem bestimmten Abstandsbereich vom galaktischen Zentrum seine Gültigkeit ab. Auf diese Art gelänge es rein mathematisch die beobachteten Rotationskurven zu erklären. Problematisch ist, dass sich diese Überlegung experimentell nur sehr schwer überprüfen lässt! Ein Raumschiff müsste in einem Abstandsbereich von Tausenden astronomischen Einheiten Messungen durchführen. 

 

Notwendigerweise wurde die Dunkle Materie schon bald als zentraler Bestandteil des Energiehaushalts unseres Universums in das kosmologische Modell eingeflochten. Heute erklären wir uns die Entstehung der ersten Zwerggalaxien mit ihr. Da die Dunkle Materie nicht an das Strahlungsfeld des frühen Kosmos gebunden war, konnte sie bereits früh Schwerkrafttöpfe bilden, die Physiker auch Potenziale nennen. Die Dunkle Materie war offenbar so etwas wie die Grundlage aller Strukturentstehung. Zur selbigen gibt es bereits einen ausführlichen Text von mir. 

 

Zusammenfassend müssen wir sagen, dass die Dunkle Materie ein Postulat ist, dass sich als Notwendigkeit aus den Beobachtungen ergibt. Die Rotationskurven von Galaxien wären ohne eine Form von Materie, die umliegende Massen auf bestimmte Geschwindigkeiten beschleunigt nicht zu erklären. Die Summe aller astrophysikalischen Messungen die auf einem Vergleich von Vorhersage und Beobachtung basieren führen dieses neue Konzept ins Feld, dass eine Substanz beschreiben muss, von der wir nicht wissen was sie ist, sondern wie. Und sie ist der Taktgeber in der großen Symphonie des Kosmos. So viel, steht fest...