Eine typische Spiralgalaxie
© HST, ESA, NASA, Stephen Smartt
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernEine typische Spiralgalaxie
Die Verfechter der Dunklen Materie feierten im letzten halben Jahrhundert immer wieder Erfolge. Dabei hatten sie es zu Anfang schwer, sich mit ihrer Vorstellung durchzusetzen. Der schweizerische Physiker und Astronom Fritz Zwicky stieß 1933 auf ein unerklärliches Verhalten der Galaxien des Coma-Haufens: Anhand der Masse der Sternsysteme müsste sich die Ansammlung bei den gemessenen Geschwindigkeiten in alle Winde zerstreuen, was anhand der Vielzahl solcher Haufen denkbar unwahrscheinlich ist. Zwicky folgerte, Materie, die nicht als Sterne oder Gaswolken erkennbar ist, sorge für den Zusammenhalt. Diese Annahme stieß in der Fachwelt auf breite Ablehnung und geriet zunächst in Vergessenheit.

In den 1960er Jahren kam sie jedoch wieder auf. Denn die US-Astronomin Vera Rubin stellte auch bei den Bewegungen der Sterne in Spiralgalaxien wie der Milchstraße fest, dass ihre Geschwindigkeiten bei weitem höher sind als ihre Fluchtgeschwindigkeit, wenn man diese auf Basis der leuchtenden Materie bestimmt – als würden sie von unsichtbarer Hand auf ihren Bahnen gehalten.

Simulation der Verteilung sichtbarer und Dunkler Materie
© Rich Murray, MPA Garching
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernSimulation der Verteilung sichtbarer und Dunkler Materie
Doch um was für einen Stoff könnte es sich handeln? Erkaltete Braune Zwergsterne und Wolken aus kaltem Gas und Staub wurden von den Astronomen ins Feld geführt. Doch die Suche danach ergab einen eklatanten Fehlbetrag, diese Objekte scheiden also aus. Auch die Teilchenphysiker beteiligten sich an den Überlegungen. Schnell fiel der Verdacht auf Neutrinos, doch wären sie die Schuldigen, verliefe die Geschichte des Kosmos anders, als wir sie beobachten: Es hätten sich zunächst die Galaxienhaufen gebildet und dann die einzelnen Welteninseln und nicht umgekehrt.

Somit bleiben nur "kalte" Teilchen, die in den bisherigen Experimenten an den großen Beschleunigeranlagen noch nicht entdeckt wurden. Wie Partikel, die nach der so genannten supersymmetrischen Erweiterung des Standardteilchenmodells zu erwarten wäre. Sie würden die Anforderung erfüllen, nur schwach wechselwirkende massereiche Partikel zu sein, WIMPs. "Die Kalte-Dunkle-Materie-Theorie sagt erstaunlich gut voraus, wann, wo und wie viele Galaxien sich im Universum bilden," attestiert Fabio Governato von der University of Washington.

Galaxienkollision zeigt Dunkle Materie
© X-ray(NASA/CXC/Stanford/S.Allen); Optical/Lensing(NASA/STScI/UC Santa Barbara/M.Bradac
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernGalaxienkollision zeigt Dunkle Materie
Etlichen Wissenschaftlern klingt dies jedoch nach Sciencefiction. Sie gehen vielmehr davon aus, das Gesetz der Schwerkraft müsse einer neuerlichen Korrektur unterzogen werden. Derer gab es bereits drei: durch die Quantenmechanik, die das Verhalten bei kleinsten Abständen diktiert, die Spezielle Relativitätstheorie, die bei Bewegungen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit eingreift, sowie die Allgemeine Relativitätstheorie, die dominiert, wenn extrem starke Gravitationsfelder im Spiel sind.

Kann es auch eine Korrektur geben, die bei extrem kleinen Gravitationsfeldern und großen Abständen zum Tragen kommt? Vertreter der so genannten Modifizierten Newtonschen Dynamik (MOND) meinen ja, und führen das katastrophale Versagen der Dunklen Materie bei Modellen für Zwerggalaxien an. In deren Zentren müsste sich der dubiose Stoff häufen und für eine schnelle Bewegung der Sterne sorgen. Diese wird aber nicht beobachtet.

Bringt dieser Umstand das Lambda-Kalte-Dunkle-Materie-Modell (ΛCDM), wie die Kosmologen das zum Standard avancierte Konzept nennen, zu Fall?
"Unter besserer Berücksichtigung der Sternentwicklung ist es uns gelungen, die 'Krise auf kleinen Skalen' zu beenden. Keine alternativen Theorien für die Gravitation sind mehr nötig oder verschiedene exotische Arten von Dunkler Materie."
(Fabio Governato)
Ein internationales Team um Governato nahm sich des Problems an – mit Hilfe verfeinerter Rechenprogramme und einer Reihe von Supercomputern der NASA und anderer Forschungseinrichtungen in Alaska, Chicago und Seattle. Mit ihren "N-Körper-Simulationen" ist es den Astronomen dadurch erstmals möglich, die einzelnen Komponenten der Galaxien realistischer anzulegen, als es in früheren Studien möglich war. Dies betrifft insbesondere naturgetreuere Abmessungen von Gaswolken und deren Wärmeaustausch durch Kühlen, aber auch die Energieaufnahme durch ultraviolette Strahlung von Sternen, deren Entstehungsprozesse, aber auch das Ende ihrer massereichen Vertreter in heftigen Supernova-Explosionen. "Die meisten früheren Studien berücksichtigten das Wie und Wo der Sternentwicklung in Galaxien nur auf eine sehr simple Weise, wenn überhaupt", erklärt Governato. "Mit unseren neuen Simulationen, die wir in mehreren Einrichtungen mit Supercomputern durchführten, haben wir dies genauer und besser angeben können", so der Italiener weiter.

Galaxienentstehung
© Katy Brooks
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernGalaxienentwicklung im Beisein Dunkler Materie
Diese Momentaufnahmen aus der Supercomputer-Simulation von Fabio Governato und Kollegen zeigen Phasen in der Entstehung und Entwicklung einer Zwerggalaxie im Laufe von 13 Milliarden Jahren. Hier wurden erstmals die Einflüsse von Sternentstehung, Supernovae und dem Wirken Dunkler Materie detailliert berücksichtigt. Die Bewegungen der simulierten Sterne sind damit zum ersten Mal deckungsgleich zu den beobachteten Werten.
Wie die Berechnungen zeigen, bewirken Supernovae durch ihre Sprengkraft ein enorm hohes Abströmen von Gas aus inneren Bereich der Galaxien. "Wenn so viel Masse aus dem Zentrum entfernt wird, reduziert das seine gravitative Anziehung und die Dunkle Materie driftet davon", erklärt Governato. Er fährt fort: "Das ist so, als wäre plötzlich die Sonne verschwunden. Dann würde die Erde haltlos ins All davon treiben." Der Effekt ist enorm, wenn man ihn berücksichtigt ist die Dichte an Dunkler Materie in den inneren paar Tausend Lichtjahren der Galaxie nur halb so hoch, wie bei Abwesenheit der Supernovae.

Damit ist die "Krise auf kleinen Skalen", auch bekannt als "Kalte-Dunkle-Materie-Katastrophe" buchstäblich in alle (Supernova-)Winde zerstreut. Mehr noch – mit den Resultaten wird es möglich sein, die Eigenschaften der Teilchen, die als Kandidaten für die Dunkle Materie gelten, näher einzugrenzen. Team-Mitglied Lucio Mayer von der Universität Zürich schließt: "Das ΛCDM-Modell ist damit 'sicher', keine Alternativtheorien sind mehr nötig und die Experimentalphysiker können sich jetzt auf die Suche nach solchen Teilchen konzentrieren, die sich wie Kalte Dunkle Materie verhalten. Beispielsweise Neutralinos, die von der Supersymmetrie vorhergesagt werden. Sie könnten bei Zerfällen anderer Teilchen im LHC erzeugt werden." Den Teilchenphysikern dürfte dieser Tipp gerade zur rechten Zeit kommen, stellen sie doch mit dem LHC, dem Large Hadron Collider des CERN in Genf, gerade die bislang beste Falle für noch unbekannte Partikel auf. Sodass die unsichtbare Materie endlich sichtbar wird. Den Schweizer Zwicky hätte es sicher doppelt gefreut.