Warum expandiert das Universum, wie entstanden Galaxien, Sterne und unsere Erde, und ist ein leerer Raum wirklich leer? Im März 2008 stieß ich auf ein Interview, das viele dieser Fragen auf eine Antwort aus nur zwei Wörtern zurückführt: Dunkle Materie. Hier erfährst du, was drinsteht und wie weit die Forschung seitdem gekommen ist.
Das Interview von damals
Mich trieben damals noch mehr Fragen um. Warum gibt es in einem Teil des Universums Massenanhäufungen und in einem anderen nicht? Wissen wir wirklich schon alles darüber? Und was, wenn es einen Motor für die ganze Bewegung gibt, den wir nicht sehen können?
Für drillingsraum.de hat Marc Gänsler mit Prof. Dr. Josef Jochum gesprochen, einem Experimentalphysiker an der Universität Tübingen, der Detektoren für Dunkle Materie entwickelt. Das Interview erschien Ende Februar 2008 und ist bis heute online. Es bespricht viele interessante Ansätze und beantwortet vor allem Fragen wie diese:
- Was ist der Unterschied zwischen Materie und Dunkler Materie?
- Was sind WIMPs?
- Wie weist man Dunkle Materie nach?
- Gibt es eine Zukunft?
Die letzte Frage ist ein wenig reißerisch formuliert, aber trotzdem sehr interessant. Es geht darum, welche Rolle Dunkle Materie und Dunkle Energie für die Zukunft des Universums spielen.
Was ist Dunkle Materie überhaupt?
Der Begriff ist älter, als viele denken. Schon 1933 untersuchte der Schweizer Astronom Fritz Zwicky den Coma-Galaxienhaufen und stellte fest, dass sich die Galaxien darin viel zu schnell bewegen. Die sichtbare Masse reichte nicht aus, um den Haufen zusammenzuhalten. Zwicky sprach von „dunkler Materie“, also Masse, die wir nicht sehen, deren Schwerkraft aber wirkt.
Seitdem haben sich die Hinweise gestapelt:
- Rotierende Galaxien: Sterne am Rand von Spiralgalaxien kreisen ungefähr genauso schnell wie weiter innen. Nach der sichtbaren Masse müssten sie deutlich langsamer sein.
- Gravitationslinsen: Große Massen lenken Licht ab. Die gemessene Ablenkung passt nur, wenn viel mehr Masse da ist, als wir sehen.
- Die Hintergrundstrahlung: Das Nachglühen des Urknalls trägt einen Fingerabdruck, der ohne Dunkle Materie nicht zu erklären ist.
Nach dem heutigen Standardmodell der Kosmologie besteht das Universum nur zu etwa 5 Prozent aus normaler Materie, also allem, was wir kennen. Rund 27 Prozent entfallen auf Dunkle Materie und etwa 68 Prozent auf Dunkle Energie.
Der Motor der Expansion? Eher nicht
Eine meiner Fragen von damals lautete: Warum expandiert das Universum? Und gibt es einen unsichtbaren Motor für die ganze Bewegung? Hier muss man zwei Dinge auseinanderhalten.
Dunkle Materie wirkt durch ihre Schwerkraft wie ein Klebstoff. Sie hält Galaxien und Galaxienhaufen zusammen und hat dafür gesorgt, dass sich nach dem Urknall überhaupt Strukturen bilden konnten. Ohne sie gäbe es wohl weder unsere Milchstraße noch die Erde. Insofern beantwortet sie tatsächlich die Frage, warum sich Masse an manchen Stellen sammelt und an anderen nicht.
Dunkle Energie ist dagegen der Kandidat für den „Motor“. Ende der 90er Jahre fanden Astronomen bei der Beobachtung ferner Supernovae heraus, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern immer schneller. Dafür gab es 2011 den Physik-Nobelpreis. Was Dunkle Energie ist, weiß bis heute niemand.
Ist leerer Raum wirklich leer?
Nicht ganz. Nach der Quantenphysik hat selbst das Vakuum eine Energie. Eine naheliegende Idee ist, dass genau diese Energie des leeren Raums die Dunkle Energie sein könnte. Das Problem: Berechnet man sie, kommt ein Wert heraus, der um viele Größenordnungen danebenliegt. Hier klafft eine der größten Lücken der Physik.
WIMPs und die Jagd unter der Erde
Im Interview geht es um WIMPs, das steht für „Weakly Interacting Massive Particles“, also schwach wechselwirkende, massereiche Teilchen. Sie waren lange der Favorit unter den Kandidaten. Die Idee: Solche Teilchen fliegen ständig durch uns hindurch und stoßen nur extrem selten mit einem Atomkern zusammen.
Um so einen seltenen Stoß zu erwischen, bauen Forscher hochempfindliche Detektoren tief unter der Erde, wo kaum störende Strahlung ankommt. Zu den größten gehören heute die Xenon-Experimente LZ in den USA und XENONnT im italienischen Gran-Sasso-Labor. Das Ergebnis bis heute: Eine bestätigte Entdeckung gibt es nicht. Die Experimente sind inzwischen so empfindlich, dass sie Neutrinos von der Sonne registrieren, die das Signal künftig überlagern können.
Deshalb werden auch andere Ideen intensiver verfolgt:
- Axionen: sehr leichte Teilchen, die ursprünglich für ein ganz anderes Problem der Physik erfunden wurden
- Urzeitliche schwarze Löcher: könnten kurz nach dem Urknall entstanden sein
- Veränderte Schwerkraft: Theorien wie MOND versuchen, ganz ohne Dunkle Materie auszukommen, scheitern aber bisher an einigen Beobachtungen
Was ist daraus geworden?
Achtzehn Jahre nach dem Interview ist die Grundfrage offen, aber die Werkzeuge sind besser denn je. Das Weltraumteleskop Euclid der ESA ist seit 2023 unterwegs, um die Verteilung von Dunkler Materie und die Wirkung der Dunklen Energie über einen großen Teil des Himmels zu kartieren. Und in Chile liefert das Vera-C.-Rubin-Observatorium seit 2025 erste Bilder für eine riesige Himmelsdurchmusterung, die ebenfalls helfen soll, dem dunklen Universum auf die Spur zu kommen.
Wer tiefer in die kosmischen Rätsel einsteigen will, findet bei mir noch mehr: Bei Dark Flow geht es um eine rätselhafte Bewegung von Galaxienhaufen, und in CERN – ein Interview um schwarze Löcher aus dem Teilchenbeschleuniger. Grundsätzlicher wird es in Die komplexe Welt.
Mein Fazit
Die Antwort aus zwei Wörtern hat sich als ziemlich gute Spur erwiesen, nur dass sie eigentlich aus vier besteht: Dunkle Materie und Dunkle Energie. Dass wir rund 95 Prozent des Universums nicht kennen, finde ich nicht frustrierend, sondern großartig. Das Interview von damals ist immer noch ein guter Einstieg, wenn du verstehen willst, warum Physiker unter Bergen nach unsichtbaren Teilchen suchen.
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