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Lexikon der Astronomie: Missing-Mass- Problem

Mit diesem Begriff benennen Astronomen die Problematik, dass der gesamte Materieinhalt des Universums zwar global mit Satelliten wie COBE oder WMAP aus der kosmischen Hintergrundstrahlung und alternativen Methoden bestimmt werden kann, aber sich die Materieformen der direkten Beobachtung entziehen. Dieser Eintrag wird zeigen, dass das Missing-Mass-Problem zwei Facetten (eine baryonische und eine nicht-baryonische) hat.

Der Normalfall: baryonische Materie

Baryonische Materie ist der physikalische Fachbegriff für die uns sehr vertraute Materieform, aus der wir selbst und unsere Umgebung bestehen. So zählen die Nukleonen (Protonen und Neutronen) und Quarks (deren Konstituenten) zu der baryonischen Materie. In diesem Sinne ist diese Materieform nicht exotisch. Das Sonnensystem, Sterne, interplanetares, interstellares und intergalaktisches Gas und Staub, extrasolare Planeten und auch Braune Zwerge bestehen aus baryonischer Materie. Auch die Massen aller Schwarzen Löcher im Universum werden der baryonischen Materie zugerechnet. Dieses ganze Material ist jedoch mit steigender Entfernung äußerst schwer detektierbar, weil es nicht oder kaum leuchtet. Diese Schwierigkeit ist verschärft, wenn das Material kalt ist und nur im Infraroten oder Radiobereich leuchtet. Dann kann es sich der Sicht der Astronomen leichter entziehen. Nur als heißes, baryonisches Gas ist es gut sichtbar, wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden.

Kosmische Mengen baryonischer Materie

Nach aktueller Datenlage der experimentellen Kosmologie beträgt der Anteil baryonischer Materie nur etwa 4% an allen Energieformen im Kosmos! 96% sind demzufolge unbekannt und unverstanden! Doch selbst die 4% baryonische Materie sind mit astronomischen Einzelbeobachtungen nicht messbar (z.B. Cen & Ostriker 1999; Fukugita et al. 1998; Tytler et al. 1996). So befinden sich in Galaxienhaufen große Mengen heißen, intergalaktischen Gases. Es wurde durch die Wechselwirkung der Galaxien im Haufen auf einige Millionen Grad aufgeheizt. Der Antrieb für die Heizung ist letztendlich die Gravitation. Als Konsequenz strahlt dieses Gas thermische Röntgenstrahlung ab und ist leicht mit Röntgenteleskopen beobachtbar. Es zeigt sich dabei, dass sich das Gas in Filamenten und blattartigen Strukturen anordnet (z.B. Zappacosta et al. 2002). Der Vergleich des Anteils baryonischer Materie auf der Grundlage der kosmischen Hintergrundstrahlung mit demjenigen auf der Grundlage der Galaxienbeobachtungen zeigt, dass zu wenig baryonische Materie beobachtet wird! Diese Diskrepanz bezeichnet man als baryonisches Missing-Mass-Problem.

Wie steht's mit Neutrinos?

Neutrinos haben eine Masse, wie die Cerenkov-Detektoren von Super-Kamiokande (Kamioka Neutrino Detection Experiment) in Japan belegen. Sie werden in großer Zahl in Sternen wie der Sonne (solare Neutrinos) und in Supernovae erzeugt; aber sie wechselwirken kaum mit Materie: etwa 70 Milliarden der solaren Neutrinos treffen pro Sekunde allein einen menschlichen Daumennagel – ohne eine Reaktion mit den Atomen einzugehen. Das macht den Charakter der schwachen Wechselwirkung aus und gestaltet die Detektion der Neutrinos so schwierig.
Der Knackpunkt ist, dass trotz dieser unglaublich großen Zahl Neutrinos sie aufgrund ihrer Leichtigkeit nicht entscheidend zur Gesamtmasse des Kosmos beitragen. Neutrinos werden zur so genannten heißen Dunklen Materie (engl. hot dark matter, HDM) gerechnet.

kosmologische Bedeutung baryonischer Materie

Die oben erwähnten 4% Anteil der normalen Materie legt nahe, dass Baryonen so gut wie irrevant für die Dynamik des Kosmos sind. Wo steckt der Rest der Energie? Die Problematik in dieser Frage könnte man als nichtbaryonisches Missing-Mass-Problem bezeichnen.

Dunkle Materie

Einen nicht geringen Anteil an den verbleibenden 96% hat die Dunkle Materie (engl. dark matter, DM). Sie macht etwa 22% von der Gesamtenergie aus. Die Forderung nach dieser Materieform wird nicht nur aufgrund kosmologischer Messungen laut, sondern beispielsweise auch auf der Basis von lokalen Messungen der Kinematik innerhalb von Galaxien – auch innerhalb der Milchstraße. Dunkle Materie macht sich hier gravitativ bemerkbar und hält die Galaxie zusammen, aber sie strahlt nicht und ist dunkel. Ihre Natur wird nach wie vor erforscht. Ohne Dunkle Materie könnte man die Beobachtungen nur mit alternativen Gravitationstheorien wie MOND erklären.
Im engeren Sinne bezeichnet Dunkle Materie nur die nicht-baryonische Form. Das könnten schwach wechselwirkende Teilchen wie die hypothetischen WIMPS (engl. Akronym für Weakly Interacting Massive Particles) sein.
Ebenso kommen supersymmetrische Teilchen in Betracht: Das Standardmodell der Elementarteilchen hat eine Erweiterung in der Supersymmetrie (SUSY) gefunden. Ob die Natur tatsächlich SUSY erfordert ist noch unklar. Diese Theorie fordert weitere, neue Teilchen, wie das Neutralino, das Photino, das Gluino, Squarks etc. Sollten diese Teilchen existieren und darüber hinaus eine nicht verschwindende Masse haben, so sind es Kandidaten für die Dunkle Materie. Ihre große Anzahl im Universum würde einen signifikanten Anteil der Gesamtmasse bilden, was den gemessenen Wert für Ωm physikalisch in den aktuellen WMAP-Daten erklären könnte.
Als letzte exotische Alternative bleibt noch das Axion, das mit einer speziellen Symmetrie in der Quantenchromodynamik verknüpft ist.

Dunkle Energie

Die wichtigste, weil dominante Ingredienz für die Kosmologie, ist die Dunkle Energie. Sie hat einen Anteil von 74% an allen Energieformen, ist aber völlig unverstanden. Die beste physikalische Erklärung für die Dunkle Energie ist, dass das Vakuum selbst auf diese Weise kosmologisch in Erscheinung tritt. Die Physiker rechneten diesen Ansatz auf der Grundlage physikalischer Gesetze nach – und scheiterten! Mit den Gesetzen der Quantenfeldtheorie können sie Quantenvakuum und Dunkle Energie nicht vereinen. Damit gehört dieses Problem zu den größten Rätseln der modernen Physik!
Fakt ist, dass die Zustandsgleichung der Dunklen Energie einen negativen Druck aufweist (siehe auch w-Parameter). Ihre Wirkung ist daher antigravitativ. Die Dunkle Energie ist gerade der Motor für die Expansion des Universums. Die Ausdehnung wird nach aktuellen Messdaten ewig fortschreiten und sogar beschleunigt.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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