Dunkle Materie

In der physikalischen Kosmologie bezeichnet Dunkle Materie die nicht optisch beobachtbare Materie im Universum, deren Existenz durch die Beobachtung der Galaxienrotation, der Bewegung der Kugelsternhaufen und der Dynamik der Galaxienhaufen nahegelegt wird.

Entdeckung

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Im Jahr 1917 beschrieb Willem de Sitter erstmals ein sich ausdehnendes Universum.

Als erster beobachtete Fritz Zwicky 1933, dass der Coma-Haufen (ein Galaxienhaufen, bestehend über 1000 Einzelgalaxien, mit großer Streuung der Einzelgeschwindigkeiten und einer mittleren Entfernungsgeschwindigkeit von 7.500 km/s) nicht durch die Gravitationswirkung seiner sichtbaren Bestandteile (im Wesentlichen der Sterne der Galaxien) zusammengehalten wird. Er stellte fest, dass das 400-fache der sichtbaren Masse notwendig ist, um den Haufen gravitativ zusammenzuhalten. Seine Hypothese, dass diese fehlende Masse in Form Dunkler Materie vorliege, stieß in der Fachwelt auf breite Ablehnung.

Die Analyse der Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in Spiralgalaxien durch Vera Rubin seit 1960 zeigte erneut die Problematik auf: Die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne müsste mit zunehmendem Abstand zum Galaxiezentrum viel niedriger sein, als sie tatsächlich ist. Seitdem wurde die Dunkle Materie ernstgenommen und aufgrund detaillierter Beobachtungen in fast allen großen astronomischen Systemen vermutet.

Mit der Durchführung von großräumigen Durchmusterungen von Galaxienhaufen und Galaxiensuperhaufen wurde zusätzlich deutlich, dass diese Konzentration an Materie nicht allein durch die sichtbare Materie bewerkstelligt werden konnte, da diese einfach zu wenig war, um durch Gravitation die Dichtekontraste zu erzeugen. So hatte man einen weiteren Hinweis auf zusätzliche, nichtstrahlende Materie.

Somit gibt es übereinstimmende Indizien auf drei verschiedenen Größenskalen, die die Existenz der dunklen Materie nahelegen (Galaxiensuperhaufen, Galaxienhaufen und Galaxien). Der Bereich dazwischen, insbesondere die kosmologische Nachbarschaft der Milchstraße, wurde bisher jedoch erst wenig auf Dunkle Materie untersucht. Diese Lokale Gruppe beziehungsweise die nächstgrößere Einheit, die Lokale Blase (gelegentlich auch Lokales Volumen genannt), ein Gebiet mit einem Radius von 30 Millionen Lichtjahren, driftet mit einer Geschwindigkeit von 600 km/s durch den Raum, weil sie u.a. vom Virgo-Haufen angezogen wird. Im Gegensatz dazu sind die Relativbewegungen der einzelnen Sternsysteme zueinander erstaunlich gering (im Mittel nur 75 km/s). Herkömmlichen Berechnungen zufolge müsste diese Relativgeschwindigkeit jedoch etwa 500 km/s betragen. Eine Erklärung dafür könnten ausgedehnte Ansammlungen Dunkler Materie sein, die die Gravitationskräfte abschwächen. Dagegen spricht jedoch, dass sich auch Dunkle Materie zusammenballen müsste und es daher keine flächigen Ansammlungen geben dürfte. Daher gehen andere Wissenschaftler davon aus, dass die Abschwächung der Relativbewegung von entgegengerichteten Gravitationskräften verschiedener Galaxienhaufen kommt. Sie betrachten sie also nicht als einen Beweis für die Existenz dunkler Materie.

Nach neuesten Erkenntnissen nimmt man nun an, dass das Universum zu etwa 73 Prozent aus Dunkler Energie, zu 23 Prozent aus Dunkler Materie, zu rund 4 Prozent aus "gewöhnlicher Materie" (z.B. Atomen) und zu 0,3 Prozent aus Neutrinos besteht. Die "gewöhnliche Materie" unterteilt sich dabei in selbstleuchtende (wie Sonnen) und nicht selbstleuchtende Komponenten (wie Planeten). Der Anteil der selbstleuchtenden Komponenten nimmt dabei nur etwa 1/10 der "gewöhnlichen Materie" ein. Zusätzlich muss erwähnt werden, dass der Begriff "Materie" so gedeutet werden muss, dass man davon ausgeht, eine Form von Materie sei für die festgestellte Gravitationskraft verantwortlich. "Dunkel" bedeutet, dass diese Materie außer der erwähnten Gravitationskraft keine andere Wechselwirkung mit der uns bekannten Materie zeigt.

Baryonische Dunkle Materie

Da heißes Gas immer Strahlung emittiert, bleibt als erste Möglichkeit für Dunkle Materie nur kaltes Gas übrig. Gegen diese Hypothese spricht die Tatsache, dass sich kaltes Gas (unter bestimmten Umständen) durchaus erwärmen kann und selbst riesige Gasmengen nicht die benötigte Menge an Masse aufbringen könnten.

Eine ähnliche Lösung stellt die mögliche Existenz kalter Staubwolken dar, die auf Grund ihrer niedrigen Temperatur nicht strahlen und somit unsichtbar wären. Allerdings würden sie das Licht von Sternen reemittieren und somit im Infrarotbereich sichtbar sein. Außerdem wären so große Mengen an Staub nötig, dass sie die Entstehung der Sterne maßgeblich beeinflusst hätten.

Ernstzunehmende Kandidaten sind Braune Zwerge, die auch MACHOs (Massive Compact Halo Objects, dt. Massive kompakte Halo-Objekte) genannt werden. Es handelt sich dabei um einen Typ Himmelskörper, dessen Druck so gering ist, dass keine Wasserstoffverbrennung stattfinden kann und der somit unsichtbar ist. Steht ein MACHO allerdings genau vor einem Stern, so verstärken sie als Gravitationslinse dessen Strahlung. In der Tat wurde dies zwischen Erde und der Großen Magellanschen Wolke auch beobachtet. Man geht heute jedoch davon aus, dass MACHOs nur einen kleinen Teil der Dunklen Materie ausmachen.

Alle diese Möglichkeiten baryonischer Dunkler Materie stehen im Widerspruch zur Theorie der primordialen Nukleosynthese. Bei der Alternative nicht-baryonischer Dunkler Materie unterscheidet man die folgenden beiden Gruppen.

Heiße dunkle Materie (HDM)

Wenn sich bestätigt, dass Neutrinos nicht masselos sind, wären sie die naheliegenden Kandidaten für heiße Dunkle Materie. Bestünde die Dunkle Materie aber zum Großteil aus schnellen leichten Teilchen, d.h. heißer Dunkler Materie, hätte das für den Strukturierungsprozess im Universum ein Top-Down-Szenario zur Folge. Dichteschwankungen wären zuerst auf großen Skalen kollabiert, es hätten sich erst Galaxienhaufen, dann Galaxien, Sterne usw. gebildet. Beobachtungen lehren das Gegenteil. Die Altersbestimmungen von Galaxien haben ergeben, dass sie vorwiegend alt sind, während manche Galaxienhaufen sich gerade im Entstehungsprozess befinden. Ein Bottom-Up-Szenario, eine hierarchische Strukturentstehung, gilt als erwiesen. Daher kann heiße dunkle Materie allenfalls einen kleinen Teil der gesamten Dunklen Materie ausmachen.

Kalte dunkle Materie (CDM)

Diese Variante umfasst noch unbeobachtete Elementarteilchen, die nur der Gravitation und der schwachen Wechselwirkung unterliegen, die sogenannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, dt. Schwach wechselwirkende massive Teilchen). WIMPs lassen sich mit einer hierarchischen Entstehung des Universums vereinbaren. Dabei ist derzeit ein Teilchen aus der Theorie der Supersymmetrie, das Photino (oder ein anderes LSP), im Gespräch. Das Photino ist der supersymmetrische Partner des Photons. In diesem Falle wäre die Dunkle Materie der supersymmetrische Partner der kosmischen Hintergrundstrahlung. Je nach Masse des Photinos ist es vielleicht möglich, es im neuen Teilchenbeschleuniger LHC des CERN, der 2008 in Betrieb genommen wird, zu erzeugen.

Axione

Hauptartikel: Axion

Alternative Erklärungsversuche

Alle obigen Erklärungsansätze nehmen implizit an, dass die Gravitation dem Newtonschen Gravitationsgesetz bzw. der allgemeinen Relativitätstheorie gehorcht. Von einer Minderheit von Astronomen wird die MOND-Hypothese (Modifizierte Newtonsche Dynamik) als Alternative zur Dunklen Materie vorgeschlagen. In ihr wird postuliert, dass die Äquivalenz von träger Masse und schwerer Masse bei extrem kleinen Beschleunigungen nicht mehr gelte.

Siehe auch

Literatur

David B. Cline: Die Suche nach Dunkler Materie. In: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg, Spektrumverlag 2003, 10/05 (Okt.), S.44-51.
Wolfgang Rau: Auf der Suche nach der Dunklen Materie. in: Sterne und Weltraum. Heidelberg, Spektrumverlag 44.2005,1, S.32-42.
James Trefil: Fünf Gründe, warum es die Welt nicht geben kann. Rowohlt Verlag GmbH, ISBN 3499193132

Weblinks

F. I. Cooperstock, S. Tieu: General Relativity Resolves Galactic Rotation Without Exotic Dark Matter.

Kosmologie

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