Seit Langem rätseln Astronomen, woraus der obskure Stoff bestehen könnte, der den größten Teil der Materie des Universums ausmacht, aber unsichtbar ist. Doch selbst nach drei Jahrzehnten der Suche und dem Einsatz immer ausgefeilterer Technik haben sie bislang noch kein Anzeichen für die Dunkle Materie gefunden. Nun stellen einige dieser Wissenschaftler ihre ursprünglichen Annahmen zu der schwer zu fassenden Substanz in Frage.

Im Oktober etwa vermeldeten Beteiligte des wohl empfindlichsten Experiments, mit dem nach den viel versprechenden so genannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) gesucht wird, dass sie bislang noch gar nichts gefunden hätten – WIMPs gelten als die heißesten Kandidaten Dunkler Materie. Damit enttäuschten sie die Physiker wieder einmal, weshalb sie sich nun teilweise längst verworfenen Kandidaten zuwenden, die zwischenzeitlich als unwahrscheinlich abgeschrieben worden waren. Andere erörtern sogar wenig befriedigende Ideen wie die Möglichkeit, dass sich die Dunkle Materie als mehr oder weniger nicht nachweisbar herausstellt.

Millenium Simulation
© Volker Springel et al., 2005
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In dieser Simulation sieht man, dass die Dunkle Materie wie ein Spinnennetz im Universum verteilt ist. Bereiche, in denen sich viel Dunkle Materie sammelt, werden heller dargestellt.

Dabei haben die Physiker immer noch keinen Beleg dafür, dass die Dunkle Materie überhaupt existiert, selbst wenn die vorhandenen Hinweise immerhin substanziell genug sind. Die Bewegung der Sterne und Galaxien kann offensichtlich nur erklärt werden, wenn im Universum mehr gravitative Materie vorhanden ist als Atome und Moleküle. Versuche scheiterten mehrfach, diese Diskrepanz zu korrigieren, indem man die Gesetze der Schwerkraft in Einsteins Relativitätstheorie einfach umschreibt.

WIMPs als große Enttäuschung

WIMPs gelten seit Langem als bevorzugte Erklärung für Dunkle Materie, weil sie unter anderem auch gut zu anderen beliebten physikalischen Ideen wie der Supersymmetrie passen könnten – der Vorstellung, dass alle bekannten Teilchen des Weltalls bislang noch nicht nachgewiesene Partnerteilchen besitzen. Die leichtesten dieser supersymmetrischen Partikel könnten demnach WIMPs sein – und die Dunkle Materie des Universums begründen. Seit den 1980er Jahren versucht man diese WIMPs während der seltenen Ereignisse nachzuweisen, wenn sie mit normalen Materieteilchen zusammenstoßen. Doch alle Versuche schlugen bislang fehl. Erst kürzlich berichtete das Large Underground Xenon (LUX) Project in South Dakota – die bislang genaueste derartige Untersuchung –, dass in seiner dreimonatigen Datenreihe nicht der kleinste Hinweis auf Dunkler Materie auftrat.

Sollten WIMPs also tatsächlich existieren, bleibt ihnen bald kein Versteck mehr. "Wir ziehen die Schlinge zu", sagt der stellvertretende Sprecher von LUX, Richard Gaitskell von der Brown University in Providence. Er schätzt, dass bereits mehr als die Hälfte der möglichen WIMP-Modelle widerlegt wurden. In den nächsten fünf bis zehn Jahren sollte sich die weitere Suche beenden lassen – entweder indem man die Teilchen schließlich doch nachweist oder ihre Existenz endgültig ausschließt. Doch wenn die Dunkle Materie nicht aus WIMPs besteht, wer kommt dann dafür in Frage?

Ein weiterer oft genannter Kandidat sind die so genannten Axione, ebenfalls theoretische Partikel. Sie besitzen noch viel weniger Masse als WIMPs und reagieren wahrscheinlich noch seltener mit Materie, weshalb die Suche nach ihnen noch schwieriger ist – wohl ein Grund dafür, dass nur ein großes Experiment momentan gezielt nach ihnen sucht, während mehr als ein Dutzend Projekte nach den WIMPs Ausschau hält. Aber auch Axione basieren auf einem festen theoretischen Fundament und könnten leicht die Menge an Dunkler Materie im Universum erklären.

Axione als zweiter heißkalter Kandidat

"Ich verstehe nicht, warum die Axione nur als zweitrangig gelten", bemängelt Leslie Rosenberg von der University of Washington in Seattle, Leiter des Axion Dark Matter eXperiment (ADMX): "Ich würde die Reihenfolge umkehren, doch das ist einfach nur meine Meinung." ADMX startete jedoch 1995 und entdeckte bislang ebenfalls noch kein Anzeichen für Dunkle Materie aus Axionen. Eine empfindlichere Wiederholung des Experiments begann kürzlich, und in den nächsten drei Jahren werde das Projekt entweder Axionen gefunden haben – oder belegen, dass sie nicht existierten, prophezeit Rosenberg.

Das Kühlgehäuse von CDMS mit zwei Detektoren
© Fermilab Visual Media Services
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 Bild vergrößernDas Kühlgehäuse von CDMS
Zwei Detektoren von CDMS, installiert in ihrer Kryokammer. Die Detektoren befinden sich tief unter der Erde und werden fast bis zum absoluten Nullpunkt gekühlt, um die schwachen Stöße der Dunklen Materie zu messen.

Während die Suche nach WIMP und Axion langsam ihrem Ende entgegengeht, ohne dass ein Erfolgsschimmer sichtbar wird, überdenken mehr und mehr theoretische Physiker Alternativen dazu. "Als die Leute wegen der WIMPs immer nervöser wurden, krochen plötzlich andere Kandidaten aus dem Busch", sagt Rosenberg. Manche meinten, eine Fülle kleiner Schwarzer Löcher im All könnte die Dunkle Materie ausmachen. Gezielte astronomische Bestandsaufnahmen erbrachten jedoch keine Hinweise auf derartige Schwarze Löcher, die das Licht von Sternen im Rahmen des so genannten Gravitationslinseneffekts krümmen sollten. Die Idee könnte allerdings mit ein paar theoretischen Tricksereien wieder aufleben.

Eine weitere exotische Möglichkeit, die vermehrt Interesse auf sich zieht, ist die Quarkmaterie: eine extrem dichte Materiephase, die aus Strange-Quarks besteht (seltsame Verwandte der Up- und Down-Quarks, die Protonen und Neutronen aufbauen). Quarkmaterie könnte im Inneren schwerer Neutronensterne entstehen, und in ausreichender Menge könnte sie eine Gruppe an Quarksternen aufbauen, die kein Licht ausstrahlen, sondern eine enorme gravitative Anziehungskraft auf normale Materie ausüben.

Diese Ideen sind aber noch lange nicht alles, was im weiten Erklärungsraum potenzieller Erklärungen für die Dunkle Materie herumschwebt. "Ich bezweifle, dass wir bereits alle interessanten Möglichkeiten betrachtet haben", meint der Theoretiker Matt Strassler, der momentan an der Harvard University arbeitet: "Vielleicht haben wir Glück und finden bald eine Antwort. Oder aber wir plagen uns auch noch in 100 Jahren damit herum."

Mission Impossible?

Die schlimmste Option wäre, dass die Dunkle Materie aus etwas bestünde, was man unmöglich aufspüren könnte – etwa ein Teilchen, das mit regulärer Materie nur über die Gravitation und keine andere Kraft interagiert. In diesem Fall vermag kein Wissenschaftler sie jemals mit einem Detektor nachzuweisen. "Sollten wir in einen Zustand geraten, in dem unsere beliebtesten Teilchen schlicht nicht detektierbar sind, so stehen wir vor einer klassischen wissenschaftlichen Herausforderung: Wie lässt sich eine derartige Theorie denn dann überprüfen?", fragt Gaitskell. "An diesem Punkt kann man fast nur versagen – mit einer Theorie, die unmöglich zu testen ist."

Verteilung der Dunklen Materie
© ESA / Planck Collaboration
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26,8 Prozent des Universums bestehen aus Dunkler Materie, schließen Forscher aus Daten des Satelliten Planck. Die dunkelblauen Regionen sind dichter als ihre Umgebung, die am wenigsten dichten Regionen sind hell eingefärbt. Grau gekennzeichnet sind Abschnitte, in denen störende Emissionen zu stark sind, um verlässliche Daten zu bekommen.

Vielleicht zum Glück scheint ein derartiges Teilchen vom theoretischen Standpunkt aus fast unmöglich. "Mit einem Teilchen, das wirklich nur über die Schwerkraft und nichts anderes interagiert, muss man sich fragen, wie es denn in der Frühzeit des Universums überhaupt entstehen konnte", merkt der theoretische Physiker Peter Graham von der Stanford University an. "Axione und WIMPs basieren auf sehr schönen Entstehungsmechanismen und Gründen, warum sie so zahlreich vorhanden sein sollten. All dies spricht gegen andere Modelle." Dennoch verschwinden sie nicht von der Bildfläche.

Selbst wenn die Physiker die dunklen Teilchen nicht direkt nachweisen, so hoffen sie zumindest auf indirekte Belege durch Teilchenbeschleuniger wie den LHC in Genf: Er könnte WIMPs oder andere Kandidaten produzieren, wenn darin Protonen in heftigen Kollisionen zusammenprallen. Eine weitere Hoffnung beruht darauf, dass astrophysikalische Signale wie Gammastrahlung aus dem Zentrum der Galaxie die Existenz von Dunkle Materieteilchen enthüllen: etwa wenn sich die Dunkle Materie selbst auslöscht, weil zwei ihrer Teilchen aufeinanderstoßen. Einzelne Hinweise auf derartige Signale wurden angeblich schon bemerkt, doch wurden sie noch lange nicht belegt.

Die meisten der beteiligten Forscher sagen ohnehin, dass es ihnen gleichgültig ist, ob sich ihr jeweiliges Konzept als das richtige erweist – solange sie überhaupt eine Antwort erhalten. "Wie überall in der Forschung ist der Erfolg keineswegs garantiert. Wir können nur weiterhin versuchen, eine Antwort auf die wichtigsten wissenschaftlichen Fragen zu bekommen", fasst es Blas Cabrera von der Stanford University zusammen: Er leitet die Cryogenic Dark Matter Search (CDMS), ein weiteres Experiment zum Nachweis von WIMPs. In letzter Zeit befassen sich allerdings mehr Physiker mit der Aussicht auf ein Scheitern. "Ich wäre schrecklich enttäuscht, sollten wir die Dunkle Materie nicht entdecken", sagt Rosenberg: "Wir sind so nahe dran – und ich möchte wirklich wissen, was sie ist."