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Rätsel um die Dunkle Materie

Sie ist ebenso mysteriös wie allgegenwärtig: Obwohl Dunkle Materie unser Universum prägt, ist ihre Natur noch immer ungeklärt. Wir kennen weder ihre Eigenschaften genau, noch wissen wir, aus welchen Teilchen sie besteht. Klar scheint nur, dass ihre Schwerkraft das Verhalten und die Verteilung aller normalen Materie beeinflusst. Doch was macht die Dunkle Materie so schwer fassbar? Und was genau ist sie?
NPO, 30.03.2022
Infrarotaufnahme des North America Nebula

NASA/JPL-Caltech/L. Rebull

Der größte Teil des Universums liegt für uns buchstäblich im Dunklen, denn wir kennen bisher nur einen Bruchteil der Teilchen und Kräfte, die es ausmachen. Die für uns sichtbare, messbare Materie macht gerade einmal rund fünf Prozent des gesamten Kosmos aus. Der Rest ist von exotischen Materieformen und rätselhaften Kräften geprägt, die wir als Dunkle Materie und Dunkle Energie umschreiben. Welche Teilchen hinter diesen Phänomenen stecken, ist noch völlig ungeklärt.

Allgegenwärtig und so alt wie der Kosmos selbst

Klar scheint, dass die Dunkle Materie fast überall im Kosmos vorkommt: Sie häuft sich in Galaxien, bildet gewaltige Ströme im lokalen Kosmos und könnte sich sogar quer durch unser Sonnensystem hindurchziehen. Zwar ist diese Dunkle Materie mit keinem Instrument direkt nachweisbar, sie verrät sich aber durch ihre Schwerkraftwirkung auf die sichtbare Materie. Diese „dunkle“ Anziehungskraft hält Galaxien zusammen, beeinflusst ihre Rotation und prägte im frühen Kosmos wahrscheinlich die Verteilung der allerersten Gaswolken, Sterne und Galaxien.

Astronomische Beobachtungen und Modelle legen nahe, dass diese exotische Materieform sogar schon direkt nach dem Urknall existiert haben sein muss – und damit früher als alle normale Materie. Lange bevor sich die ersten Atome bildeten, war die Dunkle Materie demnach schon da und ist mindestens so alt wie unser Universum. Außerdem scheint sich die Dunkle Materie nur sehr langsam zu bewegen und ist daher physikalisch gesehen „kalt“.

Karte zur Dichteverteilung im lokalen Kosmos
Diese Kartenausschnitte zeigen die Dynamik und Dichteverteilung des lokalen Kosmos und enthüllen dadurch auch unsichtbare Filamente (gelb) aus Dunkler Materie, die die Galaxien verbinden. Das X im Zentrum markiert jeweils die Position der Milchstraße

Hong et. al./ Astrophysical Journal

Wie dunkel ist die Dunkle Materie?

„Aber über diese grundlegenden Fakten zu Temperatur und Langlebigkeit hinaus haben wir kaum Informationen über die Natur und Eigenschaften der Dunklen Materie“, erklärt Francesca Chadha-Day von der Durham University in England. Der Grund dafür: Dunkle Materie reflektiert oder absorbiert kein Licht und keine andere Strahlung, und sie strahlt auch selbst keine aus. Dadurch ist sie für uns und unsere Messinstrumente unsichtbar.

Das wenige, was wir aus der Schwerkraftwirkung der Dunklen Materie auf Sterne, Gase oder Galaxien schließen können, ist zudem noch widersprüchlich: Einige Beobachtungen von kollidierenden Galaxien deuten darauf hin, dass sich die Dunkle Materie dieser Sternansammlungen ohne große Turbulenzen durch die der anderen Galaxie hindurchbewegt. Das wurde bedeuten, dass die Teilchen der Dunklen Materie nicht einmal mit ihresgleichen wechselwirken, beispielsweise indem sie direkt kollidieren. Dunkle Materie wäre demnach auch sich selbst gegenüber quasi unsichtbar und dunkel.

Andere Beobachtungen allerdings haben doch leichte Bremseffekte bei solchen Galaxienkollisionen beobachtet. Das gilt als ein mögliches Anzeichen dafür, dass sich die Dunkle Materie bei einer solchen Kollision doch nicht reibungslos durchdringt. Sie könnte dann neben der Schwerkraft doch noch andere Wechselwirkungen zeigen. Welche Version jedoch stimmt, ist bisher unklar.

Wo stecken die Teilchen?

Ebenso rätselhaft ist auch, woraus die Dunkle Materie überhaupt besteht: Geht sie auf ein Elementarteilchen oder mehrere zurück? Und welcher Art sind diese Teilchen? Lange galten schwere, kaum mit normaler Materie wechselwirkende Teilchen, sogenannte Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) als die wahrscheinlichsten Kandidaten. Versuche, solche WIMPS mit speziellen Detektoren aufzuspüren, blieben bislang aber erfolglos.

Weil diese Fahndung nach schweren Teilchen der Dunklen Materie keinen Erfolg hatte, konzentrieren sich Physiker inzwischen auf leichtere Kandidaten, darunter auch sogenannte "dunkle Bosonen". Anders als die Bausteine der normalen Materie umfassen die Bosonen die Trägerteilchen der Grundkräfte, darunter die Gluonen der starken Kernkraft oder die Photonen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Auch das 2012 entdeckte das Higgs-Boson, das allem eine Masse verleiht, gehört in diese Kategorie.

Zurzeit suchen daher gleich mehrere Experimente weltweit nach einer speziellen Art von Bosonen, den Axionen. Diese hypothetischen Teilchen müssten extrem leicht sein, dafür aber in hoher Dichte vorkommen. Zwar würden sie sich wahrscheinlich nur schwer über Atomkollisionen nachweisen lassen, diesen Teichen könnte sich aber auf andere Weise verraten: Modelle sagen voraus, dass sich Axionen unter dem Einfluss starker Magnetfelder in energiereiche Photonen umwandeln können und umgekehrt.

ADMX-Experiment
Das ADMX-Experiment soll Axionen durch ein starkes Magnetfeld zur Wechselwirkung bewegen. Hier eine der Kammern bei der Wartung.

Rakshya Khatiwada / University of Washington

Radios für die Dunkle Materie

An genau diesem Punkt setzen die Haloskope an – eine Art Radio für die Dunkle Materie. Sie bestehen aus einer großen, bis auf knapp über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlten Vakuumkammer, in der ein starkes Magnetfeld erzeugt wird. Wenn nun die gesuchten Dunkle-Materie-Teilchen durch dieses Feld fliegen, müssten sich einige von ihnen in Photonen umwandeln. Das wiederum müsste sich als messbare Schwankung im elektromagnetischen Feld bemerkbar machen.

„Im Prinzip funktioniert ein Axion-Haloskop damit ähnlich wie ein UKW-Radio“, erklärt Gray Rybka von der University of Washington. „Nur dass wir die Frequenz der gesuchten Radiostation nicht kennen. Wir drehen deshalb den Frequenzknopf langsam, während wir lauschen. Ist die Frequenz dann korrekt, hören wir idealerweise einen Ton.“ Allerdings ist der zu untersuchende Frequenzbereich riesig und das Signal sehr schwach. Dennoch glauben viele Physiker, dass sich die "dunklen" Bosonen schon innerhalb der nächsten zehn Jahre mit solchen Haloskopen finden lassen müssten – wenn es sie denn gibt.

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