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Universum Kitt der Sterne

Der Stoff wirkt geisterhaft: Dunkle Materie gibt keine Strahlung ab und ist unsichtbar. Wissenschaftler jagen dem Phänomen seit 40 Jahren hinterher. Eine neue Studie rüttelt mit ihrem Ansatz an den Grundfesten der klassischen Physik.

06.12.2010 23:05
Silvia von der Weiden
Warum fliegt im All nicht alles auseinander? Foto: dpa

Der Stoff wirkt geisterhaft: Dunkle Materie gibt keine Strahlung ab und ist unsichtbar. Wissenschaftler jagen dem Phänomen seit 40 Jahren hinterher. Eine neue Studie rüttelt mit ihrem Ansatz an den Grundfesten der klassischen Physik.

Durch das Universum geistert ein rätselhafter Stoff. Er hinterlässt seine Spuren in den Umlaufgeschwindigkeiten von Milliarden Sternen in den Spiralgalaxien, die, wie unsere Milchstraße, um ihr Zentrum rotieren. Eigentlich sollte die Drehgeschwindigkeit der Galaxien wie bei einem rotierenden Feuerrad nach außen abnehmen. Tatsächlich aber bleiben die Rotationsgeschwindigkeiten auch bei zunehmendem Abstand vom Zentrum gleich. Die Regionen müssen somit viel mehr Materie enthalten, als es die Menge an Sternen und Gas verrät.

Mehr noch: Die unsichtbare Materie hält aufgrund ihrer Massenanziehung die Galaxien zusammen, die sonst von der Zentrifugalkraft zerrissen würden. Der unsichtbare Kitt der Sterne gibt keinerlei Strahlung ab. Er lässt sich deshalb auch nicht unmittelbar messen: Dunkle Materie, wie die Astronomen das Phänomen nennen, verrät sich nur indirekt.

Ihr Einfluss lässt sich auch bei viel größeren Gebilden im Universum beobachten. In mächtigen Galaxienhaufen schwirren tausende Sternsysteme durcheinander. Dabei sind die Geschwindigkeiten der Galaxien so groß, dass die Schwerkraft der sichtbaren Materie den Haufen nicht zusammenhalten könnte: Er wäre längst auseinandergeflogen. Damit die Galaxien in ihren Haufen zusammenbleiben, muss es zehn bis hundertmal mehr dunkle Materie geben. Sie verleiht so dem Universum Struktur.

Geisterhafter Stoff

Satellitenmessungen legen nahe, dass das Universum nur vier Prozent „normale“ Materie enthält, wie sie in Sternen und Planeten vorkommt aufbaut. Schätzungen gehen davon aus, dass 23 Prozent der Masse im All aus dunkler Materie besteht. Insgesamt würde so die Materie auf einen Anteil von knapp 30 Prozent kommen. Das ist ungefähr die kritische Massendichte, jene Größe, die das Universum auf der Grenze zwischen ewiger Expansion und Zusammenbruch positioniert. Der Anteil der dunklen Materie entscheidet über das Schicksal des Universums. Kein Wunder, dass Wissenschaftler dem geisterhaften Stoff seit 40 Jahren hinterherjagen.

Als ein Kandidat galt lange Zeit das Neutrino, ein extrem leichtes, elektrisch neutrales Elementarteilchen. Berechnungen zeigen jedoch, dass auch seine Gesamtmenge nicht ausreicht, um die Lücke der fehlenden Masse zu schließen. Eine andere Möglichkeit hatte der britische Physiker Stephen Hawking vorgeschlagen. Danach sollten beim Urknall große Mengen winziger Schwarzer Löcher entstanden sein. Ein solches Miniloch wäre kaum größer als ein Elementarteilchen, hätte aber die Masse eines Berges. Doch für sie wie für die dunkle Materie fehlt bisher der direkte Nachweis.

Neues Modell rüttelt an Grundfesten der Physik

Nun haben einige Forscher die Geduld verloren. Im Fachjournal Astronomy and Astrophysics schlagen Wissenschaftler der TU Wien und der Uni Bonn ein neues Modell vor, das an den Grundfesten nicht nur der klassischen Physik rüttelt. Danach würde die Schwerkraft auf größeren Skalen eine stärkere Anziehungskraft entfalten als in der Alltagswelt.

Zwar ließen sich so viele Effekte erklären, die bislang der dunklen Materie zugeschrieben wurden. Der Preis: Die Schwerkraft wäre variabel und würde den Status einer Naturkonstanten einbüßen. In ihrer Untersuchung hat die Gruppe um den Bonner Astronomen Pavel Kroupa zusammen mit ihren Wiener Kollegen an Beispielen detailliert die Schwächen bisheriger Modelle zur dunklen Materie dargelegt. Fazit: „Wir müssen anfangen, Alternativen ernsthaft in Erwägung zu ziehen.“ Dazu gehörten auch Anpassungen der Newton’schen Gravitationstheorie.

Viele Forscher bleiben skeptisch

Den Standpunkt vertritt auch Marcel Pawlowski, Astrophysiker an der Uni Bonn und Mitautor der Studie. „Eine allgemein akzeptierte, konkrete Formulierung einer modifizierten Gravitation gibt es heute noch nicht. Aber es gibt alternative Modelle“, sagt er.

Doch viele Forscher bleiben skeptisch. Sie kritisieren an den alternativen Modellen, dass sie nur das erklären, worauf sie zugeschnitten sind. „Bis dato gibt es keine Modifikation der Gravitationsgesetze, die die gesamte Palette an Beobachtungen im Universum erklären kann“, sagt Simon White, Direktor des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching. Das Problem ist aber, dass einige der Vorstellungen zur dunklen Materie Beobachtungen in unserer kosmischen Nachbarschaft widersprechen. Darauf machen die Bonner Forscher aufmerksam.

So sei aufgrund der Massenanziehung von dunkler Materie zu erwarten, dass mindestens tausend Satellitengalaxien um die dominante Milchstraße und ihren Nachbarn, die Andromeda-Galaxie, kreisen. Tatsächlich seien es aber nur 25. Wie aus dem Dilemma herauskommen?

Die Hoffnungen vieler Wissenschaftler richten sich auf den großen Beschleuniger LHC in Genf. Mit dessen Hilfe wollen sie in jene Energiebereiche vorstoßen, in denen die von der Theorie der Supersymmetrie vorhergesagten Teilchen für die dunkle Materie erwartet werden. Für die Kandidatenteilchen haben die Theoretiker schon einen Namen geprägt: „Wimp“, was soviel heißt wie „schwach wechselwirkendes, massereiches Teilchen.“ Ob es sie tatsächlich gibt, wird wohl zum Testfall für moderne Modelle vom Anfang und Ende der Welt.

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