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Kosmologie: Gegensätze löschen sich aus

Im Urknall sind Raum und Zeit entstanden und nebenbei auch jede Menge Materie. Nicht nur diejenige, die wir kennen, sondern auch das perfekte Gegenstück davon - Antimaterie. Diese scheint allerdings auf den ersten Blick verschwunden. Und auch beim zweiten macht sie sich rar.
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Es gibt plus und minus, heiß und kalt oder schwarz und weiß – Gegensätze, die uns täglich begegnen. Dass es zu dem Stoff, aus dem wir, unser Planet und alles Sichtbare im Weltall besteht, ebenso ein Pendant gibt, ist weitaus weniger vertraut. Kein Wunder, denn während die Antimaterie in Sciencefiction-Filmen schon längst zum Alltag gehört, sind wir gerade erst dabei, sie zu erforschen. Erst seit gut 80 Jahren wissen wir überhaupt von ihrer Existenz.

Wie auch gewöhnliche Materie besteht Antimaterie aus Elementarteilchen, von denen jedes zwar dieselbe Masse hat wie das entsprechende Gegenstück, jedoch die entgegengesetzte Ladung trägt. Treffen die beiden Materieformen aufeinander, vernichten sie sich gegenseitig und zerstrahlen gemäß Einsteins berühmter Gleichung E=mc2 in Energie.

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Alles begann mit dem Urknall | Der Standardtheorie der Kosmologie zufolge hat unser Universum seinen Ursprung im Urknall. Er markiert den Beginn von Zeit und Raum. Im abkühlenden All bildeten sich nach und nach die bekannten Elementarteilchen und schließlich Sterne, Galaxien sowie alle anderen astronomischen Objekte.
Das lässt sich heute zum Beispiel in Teilchenbeschleunigern beobachten. Kurz nach der Geburt des Universums passierte es hingegen überall. Denn nach gängigen Weltmodellen lagen kurz nach dem Urknall Materie und Antimaterie in nahezu gleichen Teilen vor: Auf jedes Antiteilchen kam lediglich ein und ein Milliardstel Teilchen, glauben Wissenschaftler. Woher diese Asymmetrie rührt, ist bislang noch ein ungelöstes Mysterium – nach dessen Lösung fieberhaft gesucht wird.

Immerhin verdanken wir ihm in gewisser Weise unser Leben: Die scheinbar unbedeutende Diskrepanz reichte aus, um das von uns einsehbare Weltall zu erschaffen. Zwar entsteht auch heute noch vereinzelt Antimaterie in energiereichen Ereignissen wie beispielsweise den ultraschnellen Partikelstrahlen um Schwarze Löcher oder Pulsare. Beweise für antike Antimaterie, aus den ersten Momenten des Universums, fehlen aber bislang. Ist sie damals also tatsächlich vollständig verpufft?

Kurz nach dem Urknall gab es eine kurze, nur den Bruchteil einer Sekunde anhaltende Periode, in der sich das Universum exponentiell ausdehnte. Im Zuge dieser so genannten Inflation sind möglicherweise Ansammlungen von Materie und Antimaterie so weit voneinander getrennt worden, dass ihre Distanz das für uns sichtbare Universum überschreitet, berichtet Gary Steigman von der Ohio State University. Damit würden wir sie also nie miteinander kollidieren sehen, und die Antimaterie bliebe unbemerkt.

Vielleicht wurden sie aber auch auf kleineren Skalen voneinander getrennt, spekuliert der Physiker – etwa in der Größenordnung von Galaxienhaufen, den größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum. In diesem Fall sollte der Zusammenprall zweier solcher Systeme die Antimaterie entlarven. Anhand der Röntgenemission ließe sich ablesen, wie viel heißes Gas sich am Tatort befindet, schildert Steigman. Enthält einer der beiden Haufen tatsächlich eine ausreichende Menge an "Antigas", würde es beim gegenseitigen Durchdringen natürlich zu Vernichtungsszenarien kommen, und die Röntgenstrahlen würden von Gammastrahlen begleitet.

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Vernichtung von Materie und Antimaterie | Die Eigenschaften der Antiteilchen entsprechen exakt denen der entsprechenden Teilchen, nur tragen sie die umgekehrte Ladung. Diese Abbildung zeigt, was passiert, wenn Antimaterie mit gewöhnlicher Materie zusammenstößt. Die Teilchen vernichten sich gegenseitig und erzeugen dabei Energie, meist in Form von Gammastrahlung. Daneben entstehen auch sekundäre Partikel.
Also suchte Steigman nach einem geeigneten kosmischen Unfall. Seine Wahl fiel auf den bereits gut studierten Bullet-Cluster – zwei riesige Galaxienhaufen prallten hier einst mit extrem hohen Geschwindigkeiten aufeinander. Mit dem Röntgensatelliten Chandra sowie dem Compton Gamma Ray Observatory analysierte der Forscher die zerrupften Gasmassen, um die bislang großräumigste Suche nach Antimaterie zu veranstalten.

Bereits in der Vergangenheit hatten Steigman und zahlreiche andere Astronomen im Weltraum nach verräterischen Spuren gesucht. Allerdings stets ohne Erfolg. Und auch dieses Mal zeigten die Röntgendaten massig Gas, während die Instrumente des Gammastrahlenteleskops schwiegen. Steigman kommt zu dem Schluss, dass im Bullet-Cluster pro eine Million Teilchen weniger als drei Antiteilchen vorzufinden sind. Vorherige Messungen in einzelnen Galaxienhaufen hatten sogar eine tausendmal geringere Obergrenze ergeben.

Darüber hinaus zeigen Computersimulationen der Kollision, dass über Skalen von etwa 65 Millionen Lichtjahren – eine Schätzung des ursprünglichen Abstands der beiden – keine signifikanten Mengen von Antimaterie anzutreffen sind, berichtet Steigman.

Statt sich frustriert zurückzulehnen, hat der Wissenschaftler schon die nächste Galaxienhaufenkarambolage im Blick, die kürzlich entdeckt wurde. Schließlich wäre eine erfolgreiche Suche nicht nur von persönlichem Interesse: Auch wenn ein Fund von primordialer Antimaterie als extrem unwahrscheinlich angesehen wird, würde er den Wissenschaftlern viel über die frühesten Phasen des Universums verraten. Doch auch dem Misserfolg lässt sich etwas abgewinnen: Bestätigt er doch einmal mehr, dass unser lokales Stückchen Weltraum fast ganz und gar gewöhnlich ist.

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  • Quellen
Steigman, G.: When clusters collide: constraints on antimatter on the largest scales. In: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 10.1088/1475–7516/2008/10/001, 2008.

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