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Die dunkle Seite des Universums

Wir sehen, dass wir nichts sehen! Betrachtet man die Bewegungen von Sternen, Supernovae und Galaxien oder die Verteilung der kosmischen Hintergrundstrahlung genauer, wird klar, dass der Kosmos anders funktioniert, als theoretische Modelle es beschreiben. Irgend etwas fehlt in den Rechnungen. Etwas, das Astronomen als "Dunkle Materie" und "Dunkle Energie" bezeichnen.
"Das Universum um uns herum ist nicht das, was es scheint. Die Sterne tragen weniger als ein Prozent zu seiner Masse bei, das ungebundene Gas und die übrigen Formen gewöhnlicher Materie weniger als fünf Prozent. Die Bewegung dieser sichtbaren Materie verrät jedoch, dass es sich bei ihr nur um Treibgut auf einem unsichtbaren Meer von unbekannter Zusammensetzung handelt. Wir wissen nur wenig über dieses Meer. Die Begriffe, mit denen wir seine Komponenten beschreiben, 'Dunkle Materie' und 'Dunkle Energie', dienen in erster Linie als Ausdruck unseres Unwissens."

Mit diesen Worten fasste der Physiker David Cline von der University of California in Los Angeles in der Märzausgabe von Scientific American das Dilemma zusammen, in dem die moderne Astronomie steckt. Irgendwie laufen die Dinge da draußen anders, als man es nach den Gesetzen der Physik erwarten würde. So rotieren beispielsweise die äußeren Sterne der Galaxien zu schnell um deren Mittelpunkt. Ihr Tempo ließe sich erklären, wenn die Materie in den Galaxien kugelförmig verteilt wäre. Aber das widerspricht dem, was wir bei einem Blick durch ein Teleskop sehen. Sollte dies auf die Existenz einer unsichtbaren, sozusagen "dunklen" Materie hindeuten, deren Gravitationskraft die Sterne anzieht? Woraus könnte diese Dunkle Materie bestehen? Vielleicht aus Neutrinos, von denen man seit wenigen Jahren weiß, dass sie eine Masse haben. Oder aus einer neuen, unbekannten Art von Elementarteilchen? Und wie ist es mit der "Dunklen Energie". Sie soll der Grund sein, dass das Universum sich schneller als erwartet ausbreitet. Nur kennen Wissenschaftler bislang keine entsprechende Abstoßungskraft. Auch hier unwissendes Achselzucken.

Zum Glück haben Wissenschaftler eines mit den Detektiven aus Kriminalromanen gemeinsam: Wenn es ein Geheimnis gibt (oder mehrere), werden sie erst so richtig neugierig. Anders als im Roman ziehen sich Ermittlungen in der Astronomie für gewöhnlich über viele Jahre hin, in denen Indizien und kleine Fortschritte allmählich zu neuen Theorien führen, die überprüft, verbessert, verworfen oder schließlich bestätigt werden. So ein neues Puzzleteil hat nun eine Gruppe von Wissenschaftlern um Richard Kron von der University of Chicago und Michael Strauss von der Princeton University ins Spiel gebracht.

Die Forscher haben im Rahmen des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) eine detailierte dreidimensionale Karte von sechs Prozent des Himmels erstellt. Aus ihr geht hervor, wo sich die sichtbare Materie des Universums unter dem Einfluss der geheimnisvollen dunklen Komponenten zusammenballt. "Das Muster dieser Cluster enthält einerseits Informationen über die unsichtbare Materie, die an den Galaxien zerrt, und andrerseits über die ungleiche Verteilung der Keimzentren [, in denen sich Galaxien gebildet haben], wie sie aus dem Urknall hervorging", sagt Strauss.

Mehr als 200 000 Galaxien in bis zu zwei Milliarden Lichtjahren Entfernung haben die Astronomen vermessen und kartiert. Seit fünf Jahren dient das 2,5-Meter-Teleskop am Apache Point Observatory in New Mexico einzig dazu, Nacht für Nacht den Himmel mit empfindlichen CCD-Kameras und Spektrometern aufzuzeichnen, um in einigen Jahren schließlich die genaue Position und absolute Helligkeit von rund 100 Millionen Objekten in einer Datenbank zu vereinen. Über 200 Wissenschaftler an 13 Institutionen sind an dem SDSS-Projekt beteiligt. Im Frühjahr des kommenden Jahres wird der aktuelle Zwischenstand allen Forschern zur Verfügung gestellt und kann dann nach verschiedenen Kriterien ausgewertet werden.

Auf diese Weise können die tatsächlichen Werte für bestimmte Größen in den theoretischen Modellen besser angenähert werden. Kron, Strauss und ihren Kollegen gelang es beispielsweise zu zeigen, dass die Masse von Neutrinos bei weitem nicht ausreicht, um nennenswert zur Dunklen Materie beizutragen. Auch die Ungenauigkeiten der Hubble-Konstante, welche die Expansion des Universums beschreibt, konnten sie halbieren. Und die Unzulänglichkeiten der Mikrowellen-Karte von der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) haben sie ebenfalls zu einem guten Teil ausgeglichen. Denn selbst wenn verschiedene Arbeitsgruppen mit unterschiedlichen Methoden andere Sterne und Galaxien betrachten, ergeben sich dennoch zueinander passende Beobachtungen.

Was immer noch fehlt, ist eine schlüssige Erklärung für die Daten. Doch mit einer genauen Skizze vom Tatort wissen die Forscher zumindest, wo sie am besten suchen sollten. Damit endlich ein bisschen Licht auf die Dunkle Materie und Dunkle Energie fällt.

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