Seit nunmehr 80 Jahren rätseln Wissenschaftler über eine Substanz, die offenbar ganze Galaxien in Bewegung versetzt, aber sich völlig unserer Beobachtung entzieht. Eine Substanz, die an Masse die sichtbare Materie um sage und schreibe den Faktor fünf übertrifft, was letztendlich nichts anderes heißt, als dass wir kaum eine Ahnung von unserem eigenen Universum haben. Und das, obwohl seit Jahrzehnten Tausende von Physikern nach den Teilchen fahnden, aus denen sie bestehen könnte.

Die Rede ist von der "Dunklen Materie", einer hypothetischen Substanz, die sich nur durch ihre Gravitationskraft bemerkbar macht und deshalb mit üblichen Teleskopen und Messgeräten nicht aufgespürt werden kann. All diesen Nachweisschwierigkeiten zum Trotz sieht die Mehrzahl der Forscher ihre Existenz als wahrscheinlich an.

Am Ausgangspunkt ihrer Überlegungen zur Dunklen Materie steht eine zentrale Annahme: dass wir genau wissen, wie sich Galaxien oder Sterne im Weltall bewegen. Denn vor allem durch die Bewegungen sichtbarer Materie verrät sich die Dunkle Materie. Was aber, wenn unsere Theorien über die Bewegung von Objekten im All falsch sind? Was, wenn die Schwerkraft auf kosmischen Skalen einfach anders funktioniert als von Isaac Newton und Albert Einstein vorhergesagt? Dann wäre womöglich gar keine unsichtbare Materie nötig, um die eigenartigen Bewegungen der Himmelskörper zu erklären.

Diese – eigentlich aus mehreren Gründen längst ad acta gelegte – Argumentation bekam nun dank einer Reihe von Entwicklungen der letzten Monate neues Leben eingehaucht. Anlass dafür war ein in Fachkreisen zurzeit intensiv diskutierter Vorschlag von Erik Verlinde, einem theoretischen Physiker der Universität Amsterdam, der für seine kühnen und weitsichtigen, wenn auch mitunter nicht ganz ausgereiften Ideen bekannt ist. In einem am 7. November online veröffentlichten, 51 Seiten langen Artikel erklärt Verlinde die Gravitation zu einem Nebenprodukt quantenmechanischer Wechselwirkungen. Die zusätzliche Schwerkraft, die man bislang der Dunklen Materie zuschrieb, ergibt sich darin als Effekt der Dunklen Energie – jener Hintergrundenergie, die in das raumzeitliche Gefüge des Universums eingewoben ist.

Dunkle Materie, sagt Verlinde, sei nicht eine Ansammlung unsichtbarer Teilchen, sondern "ein Wechselspiel zwischen gewöhnlicher Materie und Dunkler Energie".

Für seine Argumentation bedient er sich einer radikal neuen Sichtweise auf die Gravitation, die unter führenden Theoretikern derzeit in Mode ist. Einstein definierte Schwerkraft als Effekt der Krümmung von Raum und Zeit in der Anwesenheit von Materie. Gemäß der neuen Sichtweise ist Gravitation jedoch ein emergentes Phänomen. Sowohl Raumzeit als auch Materie sind in dieser Darstellung ein Hologramm, das von einem zu Grunde liegenden Netz aus Quantenbits (kurz "Qubits") erzeugt wird – ähnlich wie die dreidimensionale Umgebung in einem Computerspiel in klassischen Bits auf einem Siliziumchip kodiert ist. Von dieser Vorstellung ausgehend führt Verlinde die Dunkle Energie auf eine Eigenschaft dieser mutmaßlichen Qubits zurück. Auf großen Skalen innerhalb des Hologramms wechselwirke die Dunkle Energie dann auf eine Art und Weise mit der Materie, dass die Illusion einer Dunklen Materie entsteht, so Verlinde.

Was steckt hinter der Dunklen Materie?
© Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine; dt. Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft
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Bei seinen Berechnungen stieß Verlinde auf eine Gleichung, die bereits von der "Modifizierten Newtonschen Dynamik", kurz MOND, bekannt ist. Bei dieser 30 Jahre alten Theorie handelt sich um einen mathematischen Eingriff am bekannten Abstandsgesetz der Gravitationstheorien von Newton und Einstein, der speziell mit dem Ziel durchgeführt wurde, die Dunkle Materie aus den Theorien verbannen zu können. Rechnet man mit den veränderten Gleichungen, ist die Annahme einer Dunklen Materie als Erklärung für viele Phänomene plötzlich nicht mehr nötig. Wie eine solche Krücke so gut funktionieren kann, hat die Physiker lange gewundert. "Ich habe nun einen Weg gefunden, um den Erfolg von MOND aus einer grundlegenderen Sicht heraus zu verstehen", sagt Verlinde.

Ein unerwartetes Zusammenspiel

Seine Kollegen loben Verlindes Arbeit als bedenkenswert, wenn auch schwer verständlich. Es bleibt abzuwarten, ob seine Argumente einer sorgfältigen Prüfung standhalten. Sicher aber war der Zeitpunkt der Veröffentlichung gut gewählt. Denn eine neue Galaxienuntersuchung, die Stacy McGaugh von der Case Western Reserve University in Cleveland und zwei weitere Astrophysiker am 9. November 2016 in den "Physical Review Letters" publizierten, stärkt die Position von MOND gegenüber der Dunklen Materie.

Die drei Forscher haben 153 Galaxien unterschiedlichster Art beobachtet und dabei gemessen, wie schnell die sichtbare Materie in einem gegebenen Abstand zum Zentrum der Galaxie rotiert. Dann schätzten sie ab, wie viel sichtbare Materie sich innerhalb dieses Radius befindet.

Überraschenderweise sind diese beiden Größen für alle untersuchten Galaxien durch ein offenbar universelles Gesetz verbunden, von dem Team "radiale Beschleunigungsrelation" genannt. Im Rahmen der MOND-Theorie ist das nicht weiter überraschend, da die sichtbare Materie die einzige Ursache der Gravitation ist, die die Rotation der Galaxie antreibt – auch wenn die Gravitation einem etwas anderen Gesetz folgt als nach Newton und Einstein. Für Dunkle Materie aber lässt ein solch enger Zusammenhang zwischen der von der sichtbaren Materie gefühlten Schwerkraft und der durch sichtbare Materie erzeugten Schwerkraft nicht viel Spielraum.

Und noch während die Vertreter der Dunklen Materie sich zur Verteidigung formierten, tauchte eine dritte Herausforderung für ihre Theorie auf: Im Rahmen von Seminaren und in einer bei den "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" eingereichten Veröffentlichung berichteten niederländische Astronomen von einem ersten Test der Theorie von Verlinde. Margot Brouwer von der Universität Leiden und ihre Kollegen verglichen Verlindes Formeln mit den Daten von über 30 000 Galaxien. Die Theorie sagt korrekt die schwerkraftbedingte Verzerrung der Galaxienbilder voraus – diese Gravitationslinsen waren ein weiteres Phänomen, das bislang der Dunklen Materie zugeordnet wurde. Allerdings hatte Ähnliches auch schon der Begründer von MOND gezeigt; der israelische Astrophysiker Mordehai Milgrom demonstrierte vor Jahren, dass seine MOND mit den Beobachtungen von Gravitationslinsen in Einklang steht, so gesehen ist das Ergebnis des Teams um Brouwer nicht ganz überraschend. Um wirklich zu punkten, müsste Verlindes Theorie deshalb darüber hinaus Phänomene reproduzieren können, bei denen die MOND-Theorie versagt.

"Ich habe einen Weg gefunden, um den Erfolg von MOND aus einer grundlegenderen Sicht heraus zu verstehen" (Erik Verlinde)

Kathryn Zurek, die am Lawrence Berkeley National Laboratory an der Theorie der Dunklen Materie forscht, sieht Verlindes Ansatz zumindest als Hinweis darauf, dass an MOND oder ähnlichen Konzepten doch etwas dran sein könnte. "Am meisten hat der modifizierten Gravitation zu schaffen gemacht, dass eine Theorie fehlt, die diese Eigenschaften der Schwerkraft nachvollziehbar erklären würde", sagt sie. "Wenn Verlindes Arbeit dafür einen Rahmen liefert, dann reicht das vielleicht schon aus, um einer ernsthafteren Auseinandersetzung mit MOND neues Leben einzuhauchen."

Der neue MOND

In den Theorien von Newton und Einstein nimmt die gravitative Anziehungskraft eines Objekts mit dem Quadrat der Entfernung ab. Sterne, die ihre Bahnen in einer Galaxie ziehen, sollten also umso weniger Anziehungskraft spüren und entsprechend langsamer kreisen, je weiter sie vom Zentrum der Galaxie entfernt sind. Im inneren Bereich von Galaxien fallen die Geschwindigkeiten der Sterne tatsächlich so ab, wie es die quadratische Abnahme der Schwerkraft vorhersagt. Doch ab einer gewissen Distanz tritt eine Veränderung auf: Anstatt weiter abzufallen, bleiben die Geschwindigkeiten nahezu konstant. Diese "Abflachung" der Rotationskurven von Galaxien, entdeckt in den 1970er Jahren von der Astronomin Vera Rubin, wird allgemein als zentrales Beweisstück für die Existenz der Dunklen Materie angesehen. Nach der gängigen Vorstellung hüllen gewaltige "Halos" aus Dunkler Materie die Galaxien ein und verpassen so den weiter außen kreisenden Sternen eine zusätzliche gravitative Beschleunigung.

Woraus bestehen diese Halos? Das hat man mit immer neuen und besseren Detektoren weltweit zu ergründen versucht. Als wahrscheinlichste Kandidaten für die Teilchen, die die Dunkle Materie ausmachen, gelten einerseits die WIMPs (schwach wechselwirkende massereiche Teilchen oder englisch "weakly interacting massive particles") und leichtgewichtigere Axionen. Doch bislang hat kein einziges Experiment etwas in dieser Hinsicht Passendes entdeckt.

Bereits in den 1970er und 1980er Jahren begannen einige Forscher, darunter Milgrom, nach Alternativen zu suchen. Viele der frühen Versuche, die Gravitation abzuändern, ließen sich leicht widerlegen. Doch Milgrom stieß auf ein Erfolgsrezept: Wenn die auf einen Stern wirkende Gravitationsbeschleunigung unter einen bestimmten Wert sinkt – genau 0,00000000012 Meter pro Sekundenquadrat, das ist 100 Milliarden-mal schwächer als die Schwerebeschleunigung auf der Erdoberfläche – dann, so postulierte Milgrom, wechselt die Gravitation von der quadratischen Abnahme zu etwas, das mehr einer linearen Abnahme entspricht. "Es gibt also eine Art magischer Grenze", sagt McGaugh, "bis zu der alles normal und newtonisch ist. Doch jenseits dieser Grenze wird es seltsam. Aber die Theorie sagt uns nicht, wie man von dem einen Regime in das andere gelangt."

Wenn Dunkle Materie sichtbar wird
© X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.
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Und weil Physiker keine Magie mögen, vor allem aber weil weitere kosmologische Beobachtungen sich leichter mit Dunkler Materie erklären ließen als mit MOND, verwarfen sie den alternativen Ansatz. Dass er jetzt zurück im Gespräch ist, liegt daran, dass Verlindes Theorie einen Anhaltspunkt liefert, wie der Zaubertrick der MOND-Theorie funktioniert.

Verlinde, 54 Jahre alt, rotwangig und mit grauer Lockenmähne, hat sich in Fachkreisen um technisch anspruchsvolle Berechnungen in der Stringtheorie verdient gemacht. Die Ideen hinter seiner neuesten Arbeit skizzierte er erstmals 2010. Dabei baute er auf einer inzwischen berühmten, Monate zuvor veröffentlichten Arbeit auf, in der er die Gravitation rundheraus für nichtexistent erklärt hatte. Verlinde übernahm gleich mehrere Überlegungen, die eben erst den Ideenschmieden der theoretischen Physik entsprungen waren, verflocht sie miteinander und gelangte zu dem Ergebnis, die Gravitation sei ein emergenter thermodynamischer Effekt, der in engem Zusammenhang mit einer Zunahme der Entropie – also der Unordnung – steht. Damals wie heute sind sich Experten uneins, was sie davon halten sollen. Unbestritten waren seine Veröffentlichungen jedoch Anreiz für fruchtbare Diskussionen.

Verlindes damalige Auffassung von emergenter Gravitation hat sich inzwischen als unhaltbar erwiesen. Er folgte jedoch der gleichen Intuition, die andere Theoretiker zur Formulierung der modernen holografischen Beschreibung emergenter Gravitation und Raumzeit führte – womit sie einen Ansatz weiterentwickelten, den Verlinde jetzt wiederum in seine neue Arbeit eingebaut hat.

Ein Universum als Hologramm

In diesem Rahmen ist die biegsame, gekrümmte Raumzeit und alles, was in ihr enthalten ist, eine geometrische Repräsentation von reiner Quanteninformation – also von Daten, gespeichert in Qubits. Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit zwei Zustände – 0 und 1 – gleichzeitig einnehmen. Zudem können sie miteinander verschränkt sein, so dass der Zustand eines Qubits den Zustand eines zweiten Qubits bestimmt und umgekehrt, ganz unabhängig davon, wie weit die beiden Qubits voneinander entfernt sind.

Nach welchen mathematischen Regeln sich aus der Struktur der Verschränkung von Qubits eine damit assoziierte Raumzeit-Geometrie ergeben könnte, ist Gegenstand aktueller Forschung. Eine Anordnung von Qubits, die jeweils mit ihren nächsten Nachbarn verschränkt sind, könnte beispielsweise einem ebenen Raum entsprechen. Aus komplizierteren Verschränkungsmustern entstünden Materieteilchen wie Quarks oder Elektronen, deren Massen die Raumzeit krümmen und so die Gravitation erzeugen. "Dieser holografische Ansatz ist gegenwärtig der beste Weg, um Quantengravitation zu verstehen", sagt Mark Van Raamsdonk, Physiker an der University of British Columbia in Vancouver, der einflussreiche Arbeiten auf diesem Gebiet durchgeführt hat.

Auch mathematisch lassen sich solche holografischen Universen inzwischen immer besser beschreiben – allerdings nur in solchen Universen, deren Geometrie an die Kunstwerke von M. C. Escher erinnert, den so genannten Anti-de-Sitter-Räumen, kurz AdS. Wir leben allerdings in einem Raum mit de-Sitter-Geometrie. Und die erweist sich nach wie vor als harte Nuss. Womöglich sind es sogar gerade die Eigenschaften unseres de-Sitter-Raums, die die Illusion der Dunklen Materie hervorrufen. Das zumindest ist eine Spekulation in Verlindes jüngster Arbeit.

De-Sitter-Raumzeiten wie unser eigenes Universum dehnen sich aus, während wir in große Entfernungen blicken. Damit das passieren kann, muss der Raumzeit ein kleiner Schuss Hintergrundenergie – oft als Dunkle Energie bezeichnet – zugeführt werden, die dann die Raumzeit auseinandertreibt. Verlinde modelliert die Dunkle Energie als thermische Energie, als sei unser Universum durch Aufheizung in einen angeregten Zustand gebracht worden. Im Gegensatz dazu entspräche ein AdS-Raum einem System im Grundzustand. Für Verlinde könnte diese thermische Energie mit einer "langreichweitigen Verschränkung" zwischen Qubits zusammenhängen, als seien diese Qubits durch die Erwärmung in Aufruhr versetzt worden, wodurch sich die verschränkten Paare weit voneinander entfernt hätten. Die Anwesenheit von Materie, so argumentiert er weiter, zerstöre die langreichweitige Verschränkung. Dadurch verschwindet sozusagen Dunkle Energie in den Regionen der Raumzeit, in denen sich Materie befindet. Die Dunkle Energie versucht jedoch wieder, in diese Regionen einzudringen und übt so eine Art elastischer Rückwirkung auf die Materie aus, die äquivalent zu einer gravitativen Anziehung ist.

Durch die langreichweitige Natur der Verschränkung spielt diese elastische Rückwirkung eine umso wichtigere Rolle, je größer das betroffene Volumen der Raumzeit ist. Verlinde hat ausgerechnet, dass dieser Effekt die Rotationskurven von Galaxien exakt am magischen Punkt von Milgroms ursprünglicher MOND-Theorie von der Vorhersage Newtons und Einsteins abweichen lässt.

Verlindes Idee sei "definitiv ein wichtiger Richtungsweiser", meint Van Raamsdonk. Gleichwohl sei es noch zu früh zu entscheiden, ob alles in Verlindes Arbeit – die von der Quanten-Informationstheorie über Thermodynamik, kondensierte Materie und Holografie bis zu Astrophysik reicht – wie gewünscht zusammenpasst. Wie dem auch sei, meint der Forscher, "ich finde seine Überlegungen interessant, und mein Eindruck ist, dass uns allein schon der Versuch weiterbringt, das alles auf seine Stimmigkeit zu überprüfen".

Brian Swingle, der an der Harvard University und der Brandeis University über Holografie forscht, kritisiert allerdings, Verlinde fehle ein konkretes Modelluniversum ähnlich jenem, das andere Forscher im AdS-Raum konstruieren. Das gebe ihm zu viel Spielraum für unbewiesene Spekulationen. "Aber um fair zu sein: Wir sind zwar weitergekommen, aber in einem Bereich, der für unser eigenes Universum weniger relevant ist", gesteht er mit Blick auf den AdS-Raum. "Wir müssen uns mit Universen befassen, die mehr wie unser eigenes sind. Deshalb hoffe ich, dass Verlindes neue Arbeit uns ein paar zusätzliche Hinweise liefert, in welche Richtung wir gehen müssen."

Dunkle Materie im Zwielicht

Vielleicht fängt Verlinde mit seinem neuen Paper den Zeitgeist ein wie schon 2010 mit seiner Arbeit über entropische Gravitation. Vielleicht liegt er auch vollkommen falsch. Alles steht und fällt mit der Frage, ob seine verbesserte MOND-Theorie Phänomene reproduzieren kann, an denen die alte gescheitert war und die deshalb als Beleg für die Existenz Dunkler Materie gelten.

Eines dieser Phänomene ist der Bullet Cluster ("Geschosshaufen"), in dem zwei Galaxienhaufen frontal kollidieren. Die sichtbare Materie der beiden Haufen prallt aufeinander, aber der Gravitationslinseneffekt zeigt ein anderes Bild: Ein großer Teil der Dunklen Materie, die nicht mit der sichtbaren Materie wechselwirkt, scheint einfach durch den Ort des Zusammenstoßes hindurchgewandert zu sein. Einige Physiker sehen darin einen zweifelsfreien Beweis für die Existenz der Dunklen Materie. Doch Verlinde ist davon überzeugt, dass seine Theorie auch die Beobachtungen des Bullet Clusters erklären kann. Der gravitative Effekt der Dunklen Energie sei in die Raumzeit eingebettet und deshalb weniger deformierbar als die Materie. Das würde dazu führen, dass sich beides im Verlauf der Kollision voneinander trennt.

Der krönende Erfolg für Verlindes Theorie wäre jedoch, wenn sie auch die mutmaßlichen Spuren der Dunklen Materie in der kosmischen Hintergrundstrahlung erklären könnte. Bei der kosmischen Hintergrundstrahlung handelt es sich um eine Art Babyfoto des Universums selbst. Darin ist erkennbar, wie die Materie in der kosmischen Frühzeit wiederholt unter dem Einfluss der Schwerkraft kontrahierte, dann aber durch Selbstkollision wieder expandierte und so eine ganze Reihe von Spitzen und Senken in der Hintergrundstrahlung hinterließ. Da die Dunkle Materie außer über die Schwerkraft nicht wechselwirkt, wäre sie nur kontrahiert, aber nicht wieder expandiert – was die Amplituden der Spitzen exakt so verändern würde, wie man es in der Hintergrundstrahlung beobachtet. Verlinde erwartet, dass seine Theorie auch hier funktioniert – und zwar wiederum, weil Materie und der gravitative Effekt der Dunklen Energie voneinander unabhängig sind und sich entsprechend unterschiedlich verhalten. "Wobei ich dazusagen muss, dass ich das alles noch nicht komplett durchgerechnet habe", räumt er ein.

Aber auch die Verfechter der Dunklen Materie sind jetzt aufgerufen, sich mit den neu aufgetauchten Gegenargumenten auseinanderzusetzen. Es gilt, eine Erklärung für den von McGaugh und Kollegen entdeckten universellen Zusammenhang zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und der Menge an sichtbarer Materie von Galaxien zu finden.

Schon im Oktober 2016 erläuterten gleich zwei Astronomenteams in ihrer Erwiderung auf eine Vorabveröffentlichung der Arbeit von McGaugh und seinen Kollegen, wie sich dieser Zusammenhang ihrer Ansicht nach mit der Existenz Dunkler Materie in Einklang bringen lasse. Sie gehen davon aus, dass die Menge an Dunkler Materie in einem Galaxienhalo eindeutig festlegt, wie viel sichtbare Materie eine Galaxie bei ihrer Entstehung erhält. Wenn dem so ist, dann würde die Rotationsgeschwindigkeit – obwohl sie von der Summe aus Dunkler und sichtbarer Materie abhängt – sowohl mit der Menge an Dunkler wie mit der Menge an sichtbarer Materie korrelieren, da beide nicht unabhängig voneinander sind.

Doch Computersimulationen der Galaxienentstehung deuten keineswegs daraufhin, dass die Anteile an Dunkler und sichtbarer Materie voneinander abhängen. Die Fachleute sind nun damit beschäftigt, entsprechende Feinabstimmungen an den Simulationen vorzunehmen. Nach Aussage von Arthur Kosowsky von der University of Pittsburgh, der an solchen Simulationen arbeitet, lässt sich allerdings noch nicht sagen, ob die Simulationen alle 153 Beispiele des universellen Zusammenhangs im Datensatz von McGaugh und seinen Kollegen reproduzieren können.

Wenn nicht, dann gerät das Paradigma der Dunklen Materie ins Wanken. "Es handelt sich hier offensichtlich um eine Sache, mit der wir uns sehr sorgfältig befassen müssen", sagt Kathryn Zurek.

McGaugh ist jedenfalls skeptisch. Selbst wenn sich die Simulationen passend trimmen lassen, sei es doch ziemlich unglaubwürdig, dass Dunkle Materie und sichtbare Materie wie zwei Verschwörer an jedem Ort des Universums exakt die Vorhersage der MOND-Theorie erfüllen – per Zufall. "Wenn jemand zu Ihnen kommt und behauptet, im Sonnensystem gelte gar nicht das quadratische Abstandsgesetz, sondern ein kubisches Abstandsgesetz, aber zusätzlich sei Dunkle Materie gerade so verteilt, dass es wie ein quadratisches Abstandsgesetz aussähe – dann würden sie ihn für verrückt erklären", sagt er. "Aber genau so etwas verlangen wir hier für die Dunkle Materie."

Mit Blick auf die beachtlichen indirekten Hinweise auf Dunkle Materie und den fast vollständigen Konsens unter Physikern, was ihre Existenz angeht, sei es zwar immer noch recht wahrscheinlich, dass es die Dunkle Materie gebe, findet Zurek. "Davon abgesehen sollte man sich aber immer fragen, ob man nicht einfach einem Trend hinterherläuft", ergänzt die Forscherin. "Selbst wenn dieses Paradigma alle Phänomene erklären kann, sollten wir prüfen, ob da nicht doch etwas anderes vorgeht."

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Von "Spektrum der Wissenschaft" übersetzte und redigierte Fassung des Artikels "The Case Against Dark Matter" aus "Quanta Magazine", einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.