Astrophysik

Licht bringen in die dunkle Materie

Die dunkle Materie birgt immer noch viele Geheimnisse. Der Physiker Justin Read und sein Team erarbeiten Grundlagen, die den Nachweis der dunklen Materie ermöglichen könnten. Der Forschungskredit der Universität Zürich unterstützt ihn dabei.

Lena Serck-Hanssen

Die Scheibe aus dunkler Materie (rot) legt sich über die Milchstrasse. (Bild: Justin Read )

Es erinnert fast ein wenig an ein Märchen, wenn Dr. Justin Read vom Institut für Theoretische Physik der Universität Zürich von der Entstehung des Universums erzählt. Vor allem die Hauptfigur in Read’s Ausführungen, die «dunkle Materie», lässt vor dem inneren Auge einen geheimnisvollen dunklen Ritter entstehen, der mit seinen Kräften die Welt in Ordnung bringt. Und von «Zwergen» ist auch ab und zu die Rede …

Unvorstellbar heiss und dicht

Doch was passierte bei der Entstehung des Universums physikalisch gesehen? Nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren war die entstandene Masse zunächst einmal unvorstellbar heiss und dicht. In dieser ersten Phase war das Universum undurchsichtig, das heisst, das Licht beziehungsweise die Photonen wurden ständig von der Masse wieder absorbiert. Das Universum dehnte sich in der Folge aus und kühlte gleichzeitig ab.

Im Alter von rund 400'000 Jahren hatte sich das Universum so stark abgekühlt, dass die Photonen erstmals entweichen konnten. Das Universum wurde durchsichtig. Die entwichenen Photonen äussern sich in einem Nachleuchten, welches aufgrund der riesigen Distanzen heute noch sichtbar ist und als Hintergrundstrahlung oder «cosmic background microwave radiation» (cmb) bezeichnet wird. Die cmb ist nicht ganz gleichmässig. Die Beobachtung zeigt kleine Lichtschwankungen, die auf Temperatur- und Dichteschwankungen schliessen lassen.

Unbekannte Grösse: die dunkle Materie

Diese Beobachtungen stimmen jedoch nicht mit den Berechnungen überein. Bestünde das Universum nämlich ausschliesslich aus sichtbarer Materie, also den uns bekannten Atomen, so wären die Temperatur- und Dichteunterschiede grösser, als sie tatsächlich sind. Dies ist nur eines von mehreren Beispielen, die darauf hindeuten, dass neben der gewöhnlichen Materie wahrscheinlich noch eine unbekannte Grösse vorhanden ist, die die Unterschiede zwischen Beobachtungen und Berechnungen erklären würde. Zu diesem Zweck wurde die Unbekannte «dunkle Materie» eingeführt.

Der Astrophysiker Dr. Justin Read vom Physik-Institut der Universität Zürich. (Bild: zVg)

Man nimmt an, dass dunkle Materie hauptsächlich durch Gravitation mit der gewöhnlichen Materie interagiert und nur zu einem sehr geringen Teil Licht aussendet oder absorbiert. Ihr Anteil im Universum wird auf 22 Prozent geschätzt. Der Rest des Universums besteht vor allem aus der weitgehend unbekannten «dunklen Energie» (74 Prozent). Nur gerade 4 Prozent ist gewöhnliche Materie.

Scheibe aus dunkler Materie

Bisher war man davon ausgegangen, dass sich dunkle Materie eher in kugelförmigen Gebilden, sogenannten Halos, in unserer Galaxie, der Milchstrasse, anordnet. Als Grundlage für diese Annahme dienten Computersimulationen, die ausschliesslich den Einfluss der Gravitationskraft von dunkler Materie berücksichtigen.

Prof. George Lake und Dr. Justin Read haben nun erstmals auch die Gravitation von Sternen und Gasen in unserer Galaxie berücksichtigt. Sie konnten zeigen, dass Sterne und Gas sehr früh in der Geschichte des Universums eine Scheibe bilden, eben unsere Galaxie. Ansammlungen von dunkler Materie in grosser Distanz zu unserer Galaxie formieren sich zu den bekannten Halos, während näher liegende Ansammlungen von der Galaxie angezogen werden und sich wie ein Mantel um diese legen.

Dunkle Materie bald entdeckt?

Galaxienhaufen A1703. Leuchtend gelb sind die einzelnen Galaxien. Blau sind die durch den Gravitationslinseneffekt erhaltenen Abbildungen, und weiss ist die berechnete Massenverteilung der dunklen Materie. (Bild: Justin Read)

Während die Erde und die Sonne um das Zentrum unserer Galaxie mit einer Geschwindigkeit von 220km/s rotieren, das Halo von dunkler Materie jedoch statisch ist, ist es, als würden wir einem «Wind» von dunkler Materie ausgesetzt, der sich mit einer hohen Geschwindigkeit gegen uns bewegt. Demgegenüber ist der «Wind» der dunklen Materie, die unsere Galaxie wie ein Mantel umhüllt und mit der Erde mitdreht, viel langsamer. Die Partikel dieser dunklen Materie von geringer Geschwindigkeit sind viel einfacher zu entdecken als die schnellen Partikel. Dies weckt Hoffnungen, dass dunkle Materie bald einmal mit Hilfe entsprechender Detektoren entdeckt werden könnte.

Karte der dunklen Materie

Auf dem langen Weg zur Erde kann das Licht ferner Galaxien (Sternsysteme) durch die Gravitation einer oder mehrerer Galaxien, die diesen Weg kreuzen, abgelenkt werden. Die «Stör-Galaxie» wirkt dabei wie eine riesige optische Linse. Ist die Ablenkung stark genug, kann sich das Licht in mehrere Bilder auffächern. Dieser sogenannte Gravitationslinseneffekt ermöglicht es, auf die Massenverteilung der «Stör-Galaxie» zu schliessen. Da der Grossteil der Masse aus dunkler Materie besteht, erhält man so eine «Karte», wo sich die dunkle Materie befinden muss.

Gleichzeitig muss berücksichtigt werden, dass sich das Universum während der langen Reise des Lichts von einer Galaxie zur Erde zusätzlich ausdehnt. Die Bilder, die durch den Gravitationslinseneffekt erhalten werden, sind also einerseits abhängig von der Ablenkung, andererseits aber auch von der Ausdehnung des Universums. Daraus kann wiederum gefolgert werden, wie sich das Universum weiter entwickelt.

Dunkle Materie – ein neues Elementarteilchen?

Justin Read zeigt sich optimistisch, dass die dunkle Materie in nicht allzu ferner Zukunft entdeckt werden könnte. Physiker aller Welt werweissen über deren Beschaffenheit. Die meisten gehen davon aus, dass es sich um ein neues Elementarteilchen handelt. Wenn dem so ist, würde das Standardmodell der Teilchenphysik neu definiert werden müssen. Wie das genau zu geschehen hat, ist noch offen. Und ebenso unklar ist, ob und wie dies unser tägliches Leben beeinflussen wird. Doch Read weist darauf hin, dass bis jetzt jede Entdeckung eines neuen Teilchens der Natur unser Leben grundlegend verändert hat. Es ist unwahrscheinlich, dass die dunkle Materie hier eine Ausnahme bildet.

Lena Serck-Hanssen ist Umweltwissenschaftlerin.

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