Gesundheit: Die dunkle Macht

Das Universum besteht größtenteils aus einem unsichtbaren Stoff. Die Astronomen lassen ihre teleskopischen Blicke schweifen. Und in jüngster Zeit sehen sie dabei vor allem eins: dass sie fast blind sind. Blind für das, was das Weltall wirklich ausmacht. Galaxien und Sterne, die sie beobachten, heißes Gas und Staub, machen nicht einmal einen halben Prozent der kosmischen Materie aus. „Der Rest liegt im Dunkeln“, sagt Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching.

Mit größeren Teleskopspiegeln ließe sich die Ausbeute etwa steigern. Kleine, ausgebrannte Sterne könnten die Forscher damit erkennen oder Planeten von der Art des Jupiter, die um ferne Sonnen kreisen. Aber 95 Prozent des Alls ist anders beschaffen als alles, was wir bisher kennen. Diese Materie leuchtet nicht. Sie macht sich nur auf Grund ihrer Schwerkraft-Wirkung auf die Umgebung bemerkbar: als dunkle Energie oder „Quintessenz“, die 70 Prozent des Alls ausmacht und über deren Natur wir nur spekulieren können. Und als dunkle Materie ebenfalls unbekannter Art, die etwa 25 Prozent der kosmischen Materie verkörpert. Dabei scheint nur eins gewiss: dass es sie gibt.

Exotische Materie

Die dunkle Materie spukt seit Jahrzehnten in den Köpfen der Forscher herum. Der Schweizer Fritz Zwicky gebrauchte den Begriff bereits 1933. Er hatte mit dem Teleskop große Ansammlungen von Galaxien beobachtet. Die einzelnen Welteninseln in einem solchen Haufen bewegten sich so schnell, dass die ganze Schar auseinander fliegen müsste – wenn der Haufen nicht durch die Anziehungskraft einer unsichtbaren Masse zusammengehalten würde.

Eine ähnliche Beobachtung machten Wissenschaftler in unserer Milchstraße. Auch darin gibt es dunkle Materie zuhauf. Unsere Sonne kreist mitsamt der Erde mit einer rasanten Geschwindigkeit von etwa 220 Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße. Die Sonne und ihre Nachbarsterne würden rasch aus dem Sternenkarussell herauspurzeln, wenn die Schwerkraft unserer Milchstraße sie nicht gut festhielte. Und diese Schwerkraft ist offensichtlich viel größer, als wir aufgrund der in der Milchstraße sichtbaren Materie erwarten würden. Die spiralförmige Milchstraße ist vermutlich in eine riesige kugelförmige Wolke aus dunkler Materie gehüllt.

Seit Zwickys Beobachtung vermuten Astronomen nahezu überall im Universum dunkle Materie. In dem Galaxienhaufen Abell 2218 zum Beispiel (siehe Bild oben links) stecken Abermilliarden Sterne – aber noch mindestens zehnmal mehr dunkle Materie, wie Forscher schätzen. Denn die Anziehungskraft des Galaxienhaufens ist ungeheuer groß. So groß, dass die Lichtstrahlen der Objekte, die hinter Abell 2218 liegen, von dem Haufen merklich abgelenkt werden. Das Licht läuft nicht geradewegs an dem Galaxienhaufen vorbei, wie üblich, sondern macht einen Bogen. Und die hellen Hintergrundobjekte, andere, fernere Galaxien, werden dadurch teilweise zu Ringen und Streifen verzerrt.

Bei der dunklen Materie muss es sich um eine exotische Materieform handeln. Sie ist nicht nur unsichtbar, sondern hat vermutlich auch sonst mit den uns bekannten Atomen und Elementarteilchen wenig gemein. Das folgern Kosmologen aus der Entwicklungsgeschichte der Galaxien.

Kurz nach dem Urknall war die Materie im All heiß und gleichmäßig verteilt. Das erkennen die Forscher an dem schwachen Echo des Urknalls, das noch heute in Form von Mikrowellenstrahlen wahrnehmbar ist. Diese Mikrowellenstrahlung aus der Kindheit des Alls ist nahezu homogen. Es gibt darin lediglich kleine Unregelmäßigkeiten. Der 2001 ins Weltall gestartete, amerikanische Mikrowellensatellit MAP hat diese geringfügige Fluktuation genauer als je zuvor gemessen. Sie sind mögliche Keimzellen aller späteren Strukturen des Kosmos.

Der Nasa-Experte Charles Bennett und sein Team haben die Messergebnisse soeben bekannt gegeben. Die beobachteten Dichteschwankungen im Baby-Universum waren allerdings so klein, dass sich aus ihnen bis heute keine Galaxien hätten bilden können. Um die enormen Materiekonzentrationen in Galaxien hervorzubringen, die wir heute sehen, hätte selbst die seither vergangene Zeit nicht ausgereicht. Und das sind immerhin 13,7 Milliarden Jahre. Die Keimzellen für die Galaxien müssen anderswo zu finden sein.

Computersimulationen der Forscher am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching legen nahe, dass die Entstehung der Galaxien auf einer anfänglichen Verklumpung von dunkler Materie fußt. Zunächst sammelte sich die kalte, dunkle Materie. Diese zogen nach und nach immer mehr dunkle und gewöhnliche Materie an. Daraus bildeten sich schließlich Galaxien und Galaxienhaufen. „Wir verstehen die räumliche Anordnung der Galaxien inzwischen sehr gut“, sagt der Astrophysiker Springel. „Vor fünf Jahren war das noch anders.“

Welcher Art die dunkle Materie ist, weiß bisher niemand. Sind es die Neutrinos? Die elektrisch neutralen und extrem flüchtigen Partikel entstehen unter anderem in großer Zahl bei Kernreaktionen im Innern der Sterne. Experimente haben jedoch gezeigt, dass Neutrinos eine zu geringe Masse haben, um die allgegenwärtigen Lücken füllen zu können. Woraus aber besteht das All?

Tief unter der Erde, im Gran Sasso Tunnel in Italien und in ehemaligen Bergbauminen in den USA oder Frankreich, suchen Elementarteilchenphysiker nach exotischen Partikeln: nach Wimps („Weakly interacting massive particles“), die kaum mit der Materie in Wechselwirkung treten. Sie fliegen mit Geschwindigkeiten von 200 oder 300 Kilometern in der Sekunde. Und mehrere 100 oder 1000 von diesen schweren Partikeln könnten sich in jedem Kubikmeter aufspüren lassen. Aber noch haben die Physiker keine geeigneten Mittel gefunden, die Wimps sichtbar zu machen.

Noch weniger als über die dunkle Materie ist über die dunkle Energie bekannt. Die dunkle Energie hat ebenfalls eine lange Vorgeschichte. Albert Einstein führte sie zur Beschreibung des Universums bereits in seine kosmologischen Gleichungen ein. Sie sollte ein Gegengewicht zu der Schwerkraft sein. Einstein führte ein abstoßende Kraft ein – eine Art Antigravitation, die er später als seine „größte Eselei“ bezeichnete.

Die Quintessenz

Das war zu viel der Selbstkritik, wie sich inzwischen herausgestellt hat. Ende der 90er Jahre tauchte sie plötzlich wieder auf. Denn während die für uns sichtbare und die dunkle Materie die Expansionsbewegung des Weltalls allmählich bremsen sollten, beobachteten die Astronomen genau das Gegenteil: Das Universum dehnt sich schnell und schneller aus.

Der Kosmos hat augenscheinlich aus sich heraus das Bestreben zu expandieren. Es gibt darin eine innere Spannung, die die Wissenschaftler als dunkle Energie bezeichnen. Und diese hat im Spiel der Kräfte die Oberhand gegenüber der Gravitation.

Einige Forscher halten die dunkle Energie allerdings nicht für eine besondere Struktur des Raumes, für eine träge Eigenschaft dieser Welt. Sie sehen sie vielmehr als Indiz für einen weiteren geheimnisvollen Stoff: die Quintessenz, das fünfte Element.

Dieser feine Unterschied könnte die Zukunft des Universums bestimmen. Denn wenn es sich bei der dunklen Energie um eine strukturelle Eigenschaft des Weltalls handelt, dann wird sich Universum immerfort ausdehnen und mit der Zeit ausdünnen. Wissenschaftler wie Robert Caldwell vom Dartmouth College in New Hampshire vermuten sogar, dass in rund 20 Milliarden Jahren Galaxien und Sonnensysteme, ja sogar Atome in einem „Big Rip“, der letzten kosmischen Zerreißprobe, auseinander gesprengt werden.

Eine Quintessenz dagegen hätte nicht ewig Bestand. Sie könnte, wie viele uns bekannte Stoffe, irgendwann wieder in neue Formen der Materie zerfallen. Sie könnte das Universum dereinst neu beleben.