Gesundheit: Dunkle Materie gibt es wirklich

Ein 3,8 Milliarden Lichtjahre entfernter Galaxienhaufen hilft den Astronomen aus der Patsche. Erstmals gelang es einem Forscherteam, die geheimnisvolle dunkle Materie direkt sichtbar zu machen und sich so aus der „etwas peinlichen Situation“ zu befreien, dass „80 Prozent des Universums aus einer Substanz bestehen, die wir noch nie beobachtet haben“, sagt Dennis Zaritsky von der Universität von Arizona.

Die demnächst im Fachblatt „Astrophysical Journal Letters“ erscheinenden Messungen mit dem Röntgensatelliten Chandra sowie mehreren Großteleskopen auf der Erde zeigen, dass die Galaxienansammlung 1E0657-56 durch die Kollision zweier Galaxienhaufen entstanden ist – und dass die normale und die dunkle Materie bei diesem Zusammenprall getrennte Wege gegangen sind. Die Forscher werten ihre Beobachtungen als Indiz dafür, dass es die rätselhafte dunkle Materie tatsächlich gibt: Alternative Theorien der Schwerkraft könnten den Effekt nicht erklären.

„Die Natur hat uns die fantastische Gelegenheit gegeben, zu beobachten, wie sich die hypothetische dunkle Materie in diesem verschmelzenden System von der normalen Materie trennt“, erklärt der Projektleiter Douglas Clowe, der ebenfalls an der Universität von Arizona tätig ist. Mehr als 100 Stunden hatten Clowe, Zaritsky und ihre Kollegen den Galaxienhaufen 1E0657-56 mit dem Röntgensatelliten Chandra studiert. Hinzu kamen zahlreiche Nachbeobachtungen mit dem Weltraumteleskop Hubble, dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile und anderen Instrumenten. Die Beobachtungen zeigen, dass in 1E0657-56 ein kleiner Galaxienhaufen in einen größeren hineingerast ist.

Solche Kollisionen seien für Astronomen eigentlich nichts Besonderes, sagt Clowe. „Auf diese Weise wachsen Galaxienhaufen. Doch hier haben wir das unwahrscheinliche Glück, dass das Ereignis erst vor 100 Millionen Jahren stattfand.“ Für einen Menschen eine gewaltige Zeitspanne, im kosmischen Kalender dagegen kaum mehr als ein Tag. Für die Forscher bedeutet dies, dass sie die Auswirkungen der Kollision noch unmittelbar sehen können.

In Galaxienhaufen übertrifft die Masse des heißen Gases zwischen den Galaxien bei weitem die Masse der Sterne in den Galaxien. Deshalb prallt bei einer Kollision von Galaxienhaufen vor allem das intergalaktische Gas aufeinander, wird abgebremst und aufgeheizt. Eben diesen Effekt konnten die Forscher in 1E0657-56 mithilfe von Chandra sehen: Der Galaxienhaufen enthält eine gewaltige, hundert Millionen Grad heiße Gaswolke, entstanden durch die Kollision.

Seit langem glauben die Astronomen, dass es neben der normalen Materie eine zusätzliche Komponente aus bislang unbekannten Elementarteilchen geben muss. Ohne diese dunkle Materie würden Galaxien und Galaxienhaufen auseinanderfliegen, nur die zusätzliche Schwerkraft der dunklen Materie hält sie zusammen. Aber es gibt auch Wissenschaftler, die eine andere These vertreten: Nicht zusätzliche dunkle Materie sorgt danach für den Zusammenhalt der Galaxien, sondern ein auf großen kosmischen Skalen anders wirkendes Gravitationsgesetz.

Doch diese Hypothese muss nun wohl zu den Akten gelegt werden. Denn während in einem ungestörten Galaxienhaufen normale und dunkle Materie in etwa gleichmäßig verteilt und damit in ihrer Wirkung nicht von einem alternativen Gravitationsgesetz zu unterscheiden sind, ist dies in 1E0657-56 völlig anders. Das zeigen die Messungen mit den optischen Teleskopen. Während sich der größte Teil der normalen Materie in dem heißen Gasball befindet, ballt sich die dunkle Materie um die Galaxien zusammen. Das hatten die Forscher erwartet: Da dunkle Materie weder mit sich selbst noch mit normaler Materie in Wechselwirkung tritt, bewegt sie sich bei dem Zusammenprall der Galaxienhaufen – anders als die normale Materie – unbeeinflusst weiter.

„Wir haben mit unseren Beobachtungen dieses Systems praktisch bewiesen, dass dunkle Materie kollisionsfrei ist“, sagt Clowe. Alternative Gravitationstheorien können eine solche Trennung zwischen den beiden Materie-Komponenten nicht erklären. „Das Fazit lautet: Es gibt da draußen tatsächlich dunkle Materie“, sagt Zaritsky, „jetzt müssen wir nur noch herausfinden, worum es sich dabei handelt“.