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Kosmologie: Das Gerüst des Universums

Die Dunkle Materie ist das Skelett des Universums. Zwar ist dieses Gerüst, um das sich die gewöhnliche sichtbare Materie anordnet, selbst völlig unsichtbar. Das aber ist kein Grund, nicht trotzdem eine detaillierte Übersicht in 3-D anzufertigen, fanden findige Kartenzeichner des Alls.
Dunkle Materie im Hubble-SichtausschnittLaden...
Über achtzig Prozent der gesamten Masse des Universums bestehen aus Dunkler Materie. Sie sendet keine elektromagnetische Strahlung wie etwa sichtbares Licht aus. Nur durch Gravitation kann sie mit normaler, so genannter "baryonischer" Materie oder mit Licht wechselwirken. "Nur" – aber genau diese Eigenschaft reichte nun einem internationalen Wissenschaftlerteam aus, um eine dreidimensionale Verteilungskarte der Dunklen Materie zu zeichnen.

Die Verteilung der Dunklen Materie im UniversumLaden...
Die Verteilung der Dunklen Materie im Universum | Die Verteilung der Dunklen Materie in Blickrichtung des Hubble-Teleskops (COSMOS-Feld): Um die Daten zu gewinnen, teilten die Forscher das COSMOS-Feld in verschiedene Altersschichten ein (vergleichbar den Schnitten durch Gesteinsschichten in der Geologie). Das Alter der Schichten lässt sich aus der Rotverschiebung der beobachteten Galaxien ableiten. Die drei oben gezeigten Schichten stellen also das Universum zu verschiedenen Zeiten in der Vergangenheit dar. Aus der Wechselwirkung der Dunklen Materie mit Licht konnte das Wissenschaftlerteam die Verteilung der Dunklen Materie berechnen.
Die Daten, die die Forscher als sichtbare Ausgangsbasis verwendeten, stammen vom Weltraumteleskop Hubble. Im Rahmen von COSMOS, dem "Cosmic Evolution Survey", hat Hubble einen verhältnismäßig großen Ausschnitt des Weltalls hochaufgelöst abgebildet: 1,6 Grad im Quadrat. Dieser Ausschnitt, das COSMOS-Feld, hat die achtfache Fläche des Vollmonds und ist damit der bisher größte auf diese Weise vermessene Ausschnitt des Alls. Dabei ist eine umfangreiche Sammlung sehr detaillierter Bilder von einer halben Million Galaxien entstanden.

Mit diesen Daten hatten die die Astrophysiker allerdings mehr in Händen als nur hübsche Bilder – im Umkehrschluss konnten sie aus der Gestalt der Galaxien auch die Verteilung der Dunklen Materie bestimmen. Die Methode, die sie dabei verwendeten, beruht auf dem "schwachen Gravitationslinseneffekt". Dieser Effekt lässt sich durch eine einfache Analogie erklären: Wenn Licht durch eine Milchglasscheibe mit aufgerauter Oberfläche fällt, wie zum Beispiel bei Badezimmerfenstern, wirft es ein charakteristisches Muster an die Wand. Dieses Muster gibt Aufschluss darüber, wie die Oberfläche des Glases strukturiert ist – oder, im Fall der Universumskarte, wie die Dunkle Materie verteilt sein muss, bei der die Lichtstrahlen nicht durch Milchglas, sondern durch die Schwerkraft der unsichtbaren Massen aus der Bahn gelenkt werden.

Der GravitationslinseneffektLaden...
Der Gravitationslinseneffekt | Die Abbildung zeigt, wie die Schwerkraft eines Galaxienhaufens das Licht von Galaxien im Hintergrund ablenkt. In diesem idealisierten Fall wird die Galaxie vom Teleskop sowohl über als auch unterhalb der wirklichen Position gesehen. Durch eine Analyse möglichst vieler Hintergrundgalaxien lässt sich eine Karte der Masseverteilung im Galaxienhaufen erstellen.
Natürlich wirkt auf Licht genauso auch baryonische Materie, also zum Beispiel ein Stern oder eine Galaxie. Im Gegensatz zur Dunklen Materie sind die Sterne der Galaxien sichtbar, und aus Farbe und Entfernung konnten die Wissenschaftler deshalb auf deren Masse schließen. Unter der Leitung von Günther Hasinger und seiner Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik wurde das COSMOS-Feld auch mit dem XMM-Newton-Teleskop der Esa durchmustert. Dieses Teleskop misst die Röntgenstrahlung von heißem Gas im Universum, also die baryonische Materie, die sich an den Orten zusammenballt, wo besonders viel Dunkle Materie vorhanden ist. Das so entstandene Röntgenbild hatte für das Kartografieprojekt einen besonderen Wert: Es bestätigte die Verteilung der baryonischen Materie vollkommen unabhängig von den Messungen des Gravitationslinseneffektes und half damit, die verwendete Methode zu eichen.

Insgesamt präsentiert sich die Dunkle Materie – exemplarisch belegt durch den nun veröffentlichten All-Auschnitt mit rund 500 000 Galaxien – als ein ungleichmäßig über das Universum verteiltes Netzwerk. An manchen Orten ballt sich die dunkle Materie sehr dicht, und genau hier befinden sich auch stets die Galaxien und das heiße Gas der normalen, aus Baryonen-Subatomteilchen gebildeten Materie.

Offensichtlich folgt die baryonische Materie also der Dunklen Materie – eine Bestätigung der bislang gültigen Standardtheorie zu ihrer Rolle als Gerüst des Universums. Den Vorstellungen der Astrophysiker zufolge war sie ursprünglich einmal gleichmäßig verteilt, verdichtete sich dann aber in manchen Bereichen. Hier sorge der Sog der stärkeren Gravitation dann dafür, dass sich sichtbare Materie zusammenballe: Es entstehen Sterne, Galaxien und ganze Galaxienhaufen.
09.01.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09.01.2007

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