Attraktiv im All

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Dr. Ilka Petermann – Arizona State University, Tempe/USA

Vom schönen Schein sollte man sich ja im Allgemeinen nicht blenden lassen – auf die inneren Werte kommt es an! Und was das angeht, hat die sogenannte ‘Dunkle Materie’ (Abb.1) auch alles richtig gemacht, denn außer über die Gravitation zeigt sie keinerlei Wechselwirkung mit der uns umgeben-den sichtbaren Materie. Mit Phänomenen wie Elektrizität, Magnetismus oder Licht kann sie nicht viel anfangen – was sich hinter dem unsichtbaren, kosmologischen Strippenzieher versteckt, ist daher ein noch weitgehend ungelöstes Rätsel der Physik.

Abb.1: Wow! Was wir alles über das Universum wissen. Gerade mal um die 5 Prozent! Quelle: DESY

 

Was sich im Laufe der Jahre in Koffern, Rucksäcken oder Taschen ansammelt, kann mitunter zu kuriosen Entdeckungen führen. Da ist vielleicht noch ein abgelaufener Schokoriegel – leider – namens Raider oder ein ‘tragbarer magnetischer Datenträger’ mit beachtlichen 1.44 MB Kapazität zu finden und eventuell sogar noch ein alter D-Mark Schein – von denen durchschnittlich immerhin noch eine Summe von jährlich 100 Millionen in Banken umgetauscht wird!

Ist die ‘Tasche’ dagegen schon 13.82 Milliarden Jahre alt, wird es schnell unübersichtlich. Und kommt dann zur sichtbaren auch noch unsichtbare Materie hinzu, wünscht sich der eine oder andere Astronom vielleicht, er würde nur nach den Schlüsseln suchen… Denn die Lichter, die uns beim Blick in den Himmel aufgehen, scheinen nur ein kleiner Bruchteil dessen zu sein, woraus das Universum besteht: Seit der Vermessung von Bewegungsprofilen von Galaxien oder der Untersuchung von großräumigen Strukturen weiß man um das Vorhandensein eines Materietyps, der sich in der großen Weltall-Tasche befinden muss, dessen Natur aber seit ersten Beschreibungen in den 1930ern immer noch ein Rätsel ist. Die sogenannte ‘Dunkle Materie’ ist eine postulierte Materieform, die nicht sichtbar ist, sich aber über Gravitation bemerkbar macht – alle anderen Fundamentalkräfte lassen sie kalt. Die fundamentalen Wechselwirkungen, die unsere Welt formen und zusammenhalten, sind neben der ‘starken’ und ‘schwachen’ Wechselwirkung (die Menschen beide nicht direkt wahrnehmen können, die aber für den Zusammenhalt von Protonen und Neutronen bzw. Radioaktivität sorgen), die elektromagnetische Wechselwirkung, die dafür sorgt, dass uns ein Licht aufgeht und der Kühlschrankmagnet an Ort und Stelle bleibt, sowie die Gravitation, die im Großen und Kleinen auf jede massereiche Materie äußert anziehend wirkt. So sind Himmelskörper untereinander gravitativ ver-/gebunden, genauso wie das Marmeladen-brötchen, das aus Versehen auf dem Küchenboden landet (dass es dabei auf die bestrichene Seite fällt, wird nicht von komplizierten Fundamentalkräften gesteuert, das ist ganz einfach – Pech).

So sind etwa die ‘Rotationskurven’ von Galaxien (Abb.2), die den Zusammenhang zwischen der Bahngeschwindigkeit ihrer Sterne und deren Abstand vom Galaxienzentrum beschreiben, weder mit einem starren Körper noch mit einem Kepler-System zu beschreiben. ‘Flache’ Rotationskurven wie sie aus Doppler-Verschiebungen von Stern-Spektrallinien gemessen werden, deuten dabei auf das Vorhandensein von ‘mehr Materie’ hin, als jene, die man beobachten kann – Schätzungen gehen davon aus, dass dabei lediglich etwa 1/6 der Materie zur sichtbaren Fraktion gehört! Auch kann die Stärke von manchen Gravitationslinsen (die Ablenkung von Licht durch große Massen; ein Effekt, dessen Auswirkungen erst bei extrem hohen Materieansammlungen wie Galaxien nachweisbar werden – der Mitternachtshungrige vor dem Kühlschrank muss sich daher keine Sorgen machen) nicht nur mit normaler, baryonischer Materie (hauptsächlich Protonen und Neutronen) erklärt werden. Und auch die großräumige Strukturbildung des Kosmos scheint nicht ohne den dunklen Zusatzstoff auszukommen.

Abb.2: Gemessene und theoretische Rotationskurven von Spiralgalaxien (hier M83) weichen in den äußeren Gebieten erheblich voneinander ab. Die ‘flachen’ Kurven lassen sich nur unter Hinzunahme von (nicht sichtbarer) Extramasse erklären: der Dunklen Materie. Quellen: M83: Subaru Telescope (NAOJ), Hubble Space Telescope, European Southern Observatory – Processing & Copyright: Robert Gendler Rotationskurven: Wikipedia

 

Die ersten, die sich mit den beobachteten Phänomenen auseinandersetzten waren der Schweizer Physiker Fritz Zwicky (1898-1974), der Geschwindigkeiten im Coma-Galaxienhaufen bestimmte, und die amerikanische Physikerin Vera Rubin (1928-2016) deren Untersuchungen der Andromeda-Galaxie in den 1970ern entscheidende Hinweise auf das Vorhandensein von Dunkler Materie lieferten.

Kandidaten, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte, gibt es einige. Da wären etwa die ‘Axionen’, hypothetische Teilchen, die sich in starken Magnetfeldern in ein Photon umwandeln könnten und nach denen etwa mit dem CAST-Experiment am CERN gesucht wird. Neutrinos, als bekannte Teilchen mit kleiner doch feiner Masse sind eher kosmische Appetithäppchen und stillen den Hunger nach Dunkler Materie letztendlich nicht: insgesamt würde ihre Masse nicht ausreichen, um die beobachteten Effekte zu erklären. Bleiben noch die Kraftprotze oder MACHOS, Massive Compact Halo Objects (massereiche kompakte Halo-Objekte). Angenommen werden kalte, nicht strahlende Körper wie Neutronensterne, Schwarze Löcher oder die zahlreichen Braunen Zwerge. Erstere sollten sich allerdings auch durch die Freisetzung von Energie und schweren Elementen bemerkbar machen, was nicht im erforderlichen Ausmaß beobachtet wird. So bleiben noch die ‘Schwächlinge’ (Englisch ‘wimps’), die ‘Weakly Interacting Massive Particles’ oder schwach wechselwirkenden Teilchen. Die hypothetischen Teilchen sollen nur der schwachen Wechsel-wirkung und der Gravitation unterliegen und könnten beim Zusammentreffen mit einem Atomkern einen Lichtblitz durch Ionisation oder eine Temperaturerhöhung im getroffenen Material erzeugen. Mehrere Projekte weltweit suchen nach solch einem Ereignis (CRESST, LUX, EDELWEISS); das zurzeit empfindlichste Experiment, ‘XENON 1T,’ läuft seit Herbst 2016 im Gran Sasso Untergrund-Labor. 3200 Kilogramm hochreines Xenon, das sich aufgrund hoher Dichte und Ordnungszahl besonders eignet, stehen in einmaliger Reinheit zur Verfügung, da schon geringste Mengen radioaktiver Isotope die Ergebnisse verfälschen könnten. Zum Vergleich: belaufen sich die natürlichen radioaktiven Zerfälle im menschlichen Körper auf etwa 8500 pro Sekunde, sind es für 100 kg Detektormaterial gerade einmal wenige Zerfälle pro Jahr… Doch bis jetzt hat die kosmische Kuppelei noch kein Traumpaar aus irdischem Xenon und MACHO oder Wimp hervorgebracht – aber mit ein wenig Astromantik werden zukünftige Messungen der Lösung sicherlich immer ein Stückchen näher kommen.

Die Kosmologie, die ‘Lehre von der Welt’, beschäftigt sich mit Ursprung und Entwicklung des Universums sowie seiner großräumigen Struktur, bei der es neben den attraktiven Wohngegenden auch die No-go-Areas zu erklären gilt: Auf großer Skala ist eine klumpige Verteilung der Materie in Form von sternenreichen Galaxien und Galaxienhaufen zu erkennen, klar abgegrenzt von ‘Voids’ oder Leerräumen, die das Grauen eines kosmologischen Maklers wären: dort will einfach nichts und niemand wohnen. Jene ‘ruhige Nachbarschaft’ hat gewaltige Ausmaße: typische Ausdehnung liegen im Bereich von mehreren hundert Millionen Lichtjahren, der Eridanus Void bringt es sogar auf einen Durchmesser von einer Milliarde Lichtjahren. Mit typischen Galaxien-geschwindigkeiten von 600 km/s würde es damit mehr als 150 Milliarden Jahre dauern, bis eine Galaxie eine solche Standard-Leere durchquert hätte. Bei einem im Vergleich jugendlichen All von nur 13.8 Milliarden Jahren ein unmögliches Unterfangen. Daher gilt es als unwahrscheinlich, dass Voids durch den ‘Auszug’ von Galaxien entstanden sind – eine zeitgleiche Entstehung der besten, funkelnden als auch der sehr ruhigen Lagen gilt daher als wahrscheinlich. Da die baryonische Materie allerdings viel zu gleichförmig verteilt war um solch extreme Strukturen auszubilden, muss ein Strippenzieher im Hintergrund gewirkt haben: die Dunkle Materie.

Simulationen wie ‘Millennium’ (Abb.3), ‘Illustris’ oder ‘Bolshoi’ suchen dabei eine Antwort auf die Frage, wie sich aus einem nach dem Urknall weitgehend strukturlosen Universum die heutige Beschaffenheit entwickeln konnte. Dazu nimmt man sich ein – nach kosmischen Maßstäben – kleines Würfelchen und füllt es mit einigen Teilchen, oder genauer: einen Quader mit 2 Milliarden Lichtjahren Kantenlänge, in das 10 Trilliarden Sonnenmassen, aufgeteilt auf 10 Milliarden Teilchen, eingebracht werden. Winzige Dichteschwankungen, wie sie aus Vermessungen der kosmischen Hintergrundstrahlung bekannt sind, werden ergänzt und anschließend berechnet das Programm die Bewegung eines jeden Teilchens aufgrund der herrschenden Schwerkraft. Es zeigt sich, dass die Makrostrukturen des Universums in weiten Teilen sehr gut reproduziert werden können, auch wenn neue Daten (wie in Bolshoi verwendet) zu teilweise abweichenden Ergebnissen führen können. Wer nun aber gerne ein All für sich all-eine hätte, müsste neben ausgesprochener Programmier-Freude auch über den einen oder anderen Rechner verfügen: die Illustris-Simulation etwa lief auf dem Curie-Supercomputer (Frankreich) und am Leibniz-Rechenzentrum unter Verwendung von 8192 Computerkernen und 19 Millionen Computerstunden.