Die Erkundung der dunklen Seite

Abb. 2: Diese Hyper Suprime-Cam stammt natürlich aus Japan. Mit 870 Megapixeln arbeitet sie bei Minus 100 Grad Celsius, um die Fehler in den CCD-Sensoren zu minimieren. Bild: Subaru Telescope, National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ)

Hundert Jahre Allgemeine Relativitätstheorie

So wie Darth Vader durch die dunkle Seite der Macht verführt wurde, so intensiv sehnen sich Physiker nach einem Verständnis der sogenannten dunklen Materie im All. Vor kurzem wurde eine minuziös berechnete Karte ihrer Verteilung in einem Teil des Himmels vorgelegt. Weitere werden in den nächsten Jahren folgen.

Astronomen haben vor kurzem bei der Tagung der American Physical Society in den USA ein Bild der Verteilung der dunklen Materie in einem Ausschnitt des Himmels vorgelegt, in dem sich zwei Millionen Galaxien tummeln.1 Dunkle Materie, wie der Name schon andeutet, emittiert keine Photonen und macht sich sonst nur durch ihre Anziehungskraft auf die sichtbare Materie bemerkbar. Wir sehen die dunkle Materie also nicht, sie soll aber etwa 25% der Masse des Universums ausmachen, d.h. sie kann fünfmal mehr als sichtbare Materie in die Waagschale werfen.

Für etwas, das wir nicht sehen können, ist seine postulierte Existenz relativ alt: 1933 haben Fritz Zwicky und später andere Astronomen bemerkt, dass in Galaxienclustern Zentripetalkräfte wirken müssen, die allein durch die im Cluster sichtbar vorhandene Masse unmöglich wären. Mit anderen Worten: Die Galaxien werden im Cluster durch eine Anziehungskraft festgehalten, die nur durch zusätzliche unsichtbare Materie erklärbar ist. Spätere Beobachtungen haben diese Vermutung bestätigt und seitdem fahnden die Physiker nach einer plausiblen Begründung.

Da Teleskope die dunkle Materie nicht abbilden können, muss das Universum selbst als eine Art Riesenteleskop dienen. Wenn Licht aus entfernten Teilen des Kosmos zu uns durchdringt, werden die Photonen durch die vorhandene Massen abgelenkt. Große Konzentrationen von Materie wirken dabei als eine Art "Gravitationslinse", die das Aussehen der Objekte hinter dieser Materie verzerrt. Mit Hilfe von Computern lässt sich die Verteilung der Massen, die jenen Linseneffekt produzieren, zurückrechnen. So ist Abb. 1 im Rahmen der Arbeit des Konsortiums "Dark Energy Survey" entstanden, eine Karte in Falschfarben der Verteilung der dunklen Materie in einem Bereich des Himmels.

Die Technik, die für die Erstellung von Abb. 1 verwendet wurde, kann man als "schwache Gravitationsrefraktion" übersetzen. Wenn man die Ellipsen von Galaxien durch eine Linse beobachtet, so die Grundidee, dann verdrehen sich die Orientierungen der Hauptachsen etwas, und zwar tangential zu Kreisen mit ihrer Mitte im Massenschwerpunkt der vorhandenen Materie. Da der visuelle Effekt sehr schwach ist, und da die Achsen von Galaxien eigentlich in eine beliebige Richtung orientiert sein können, braucht man sehr viele davon, Millionen, so dass man eine Statistik aus den verzerrten Orientierungen erstellen kann.

Abb. 1: Die Farben stellen die berechnete Konzentration der dunklen Materie in einem Himmelsbereich dar (von blau bis rot steigt die Dichte). Die schwarzen Punkte sind Galaxiencluster. Das Bild deckt ungefähr zwei Millionen Galaxien ab. Bild: Vikram et al./arXiv

Hat man, wie in vorliegendem Fall, eine Region mit zwei Millionen Galaxien, würde man a priori, d.h. ohne Gravitationslinse, eine zufällige Verteilung der Orientierungen der Galaxienellipsoide erwarten. Weicht die Statistik signifikant davon ab, ist das ein Hinweis für die Präsenz von Materie, die das Licht ablenkt, d.h. Materie, die durch den Linseneffekt die Orientierung der Galaxien rund um das Massenschwerpunkt verändert.

Weitere Experimente sollen folgen: 2012 sah in Hawaii die Hyper Suprime-Cam (HSC) ihr "erstes Licht" (wie Astronomen sagen) und soll bis 2018 zehn Millionen Galaxien als externe Gravitationssensoren für die Erkundung der Verteilung der dunklen Materie verwendet haben. Parallel dazu arbeitet das Dark Energy Survey weiterhin mit einem Teleskop in Chile. Sage und schreibe 300 Millionen Galaxien werden bis 2018 in 4% der Himmelssphäre untersucht.2 Die Genauigkeit der Messungen soll durch hoch auflösende Kameras gestützt werden: 870 Millionen Pixel im Fall des HSC-Experiments (Abb. 2).

Gerüst für die Galaxien

Man braucht also große Teleskope, Supercomputer und monströse Kameras, um die dunkle Materie ausfindig zu machen, gerade weil sie vermutlich außer der Gravitation und vielleicht noch der schwachen Wechselwirkung keiner der starken Kräfte unterliegt. Man kann sie also nicht direkt sehen und auch nicht fühlen. Was soll sie sein?

Eine erste Hypothese, die schon fast verworfen wurde, ist, dass dunkle Materie aus Neutrinos besteht. Neutrinos interagieren kaum mit anderen Teilchen, sie gehen einfach durch Planeten und Sterne hindurch. Sie sind allerdings sehr schnell und sie würden nicht die Konfigurationen bilden können, die neuerdings mit den Teleskopen indirekt sichtbar werden, oder jene, die in Simulationen entstehen. Das Problem ist, dass nach den Berechnungen der Astronomen, Neutrinos dem Universum eher auf der Ebene der Galaxiencluster Struktur geben könnten, aber nicht im Maßstab der Galaxien oder darunter. Sie sind dafür zu "heiß" bzw. zu schnell. Die Astronomen glauben aber, dass zuerst die Galaxien entstanden sind, bevor sie sich in Clustern zusammengetan haben.

Das fundamentale Problem, das die Physiker lösen müssen, besteht darin, dass das Alter des Universums seit dem Urknall eigentlich nicht ausreicht, um die uns bekannten Strukturen wie Galaxien mit ihren Sternen und Planeten allein durch die Fernwirkung der Gravitation auf die sichtbare Materie entstehen zu lassen.3 Das erkennbare Universum hat zu viel Struktur, die sich von alleine nicht hätte bilden können.

Wenn man aber ein Gerüst aus dunkler Materie postuliert, kann das Gestell selbst seine eigene Gravitation ins Spiel bringen und so könnten dann Galaxien aus sichtbarer Materie eingebettet im Gerüst kondensieren. Simulationen der dunklen Materie am Computer lassen Strukturen erscheinen, die wie Filamente aussehen (Abb. 3). Dunkle Materie verdichtet sich also nicht wie die sichtbare Materie, die sich in den uns bekannten Formen verklumpt. Dunkle Materie scheint sich wie "Autobahnen" für die Sternenbildung zu strukturieren. Die dunkle Materie kann auch den Massenschwerpunkt von Galaxien deutlich verschieben, wie es aus aktuellen Untersuchungen über Kollisionen von Galaxien hervorgeht.

Abb. 3: Einbettung von Galaxien in einer Simulation der dunklen Materie (Millenium Simulation Project). Bild: Springel et al./Max-Planck-Institut für Astrophysik

Wenn aber dunkle Materie mit sichtbarer Materie fast nur durch Gravitation interagiert, könnte es nicht sein, dass dunkle Materie mit sich selbst durch eine unbekannte Kraft, d.h. die "dunkle Kraft", interagieren könnte? Eine solche Möglichkeit lässt bereits Science Fiction- Autoren von dunklen Geisterwelten träumen, die wir nicht sehen, die aber aber neben uns stehen.

Die dunkle Kraft

Eine vor kurzem veröffentlichte Arbeit hat der Suche nach der "dunklen Kraft" neuen Antrieb gegeben. Durch Beobachtungen von Kollisionen von Galaxien mit Daten aus dem Hubble Teleskop sowie durch ein Teleskop in Chile haben Richard Massey und Mitarbeiter herausgefunden, dass dunkle Materie mit sich selbst interagiert.4 Andere Messungen haben jedoch sehr enge Grenzen für die Stärke einer solchen Kraft gesetzt.5 Wenn zwei Galaxien kollidieren, gäbe es dann die Kollision der sichtbaren Massen miteinander und dazu die gravitatorische und nicht-gravitatorische Interaktion der dunklen Materienmassen mit sich selbst. Es ist gerade diese zusätzliche Kraft, die die Trajektorien der dunklen Materiewolken erklären soll, die mit ihren assoziierten sichtbaren Galaxien bei Kollisionen aus dem "Takt" geraten. Allerdings müssen die ersten Messungen noch durch unabhängige Untersuchungen an anderen Zusammenstößen überprüft werden.

Auf der Erde benutzt man also große Beschleuniger, wie den Large Hadron Collider am CERN, um neue Teilchen zu entdecken. Im Himmel kann Gott einfach Galaxien aufeinander werfen. Das Ergebnis der Beobachtungen müsste dasselbe sein. Denn würde es eine dunkle Kraft geben, dann sollte auch ein Teilchen existieren, das diese Kraft überträgt - wie das Photon beim Elektromagnetismus.

Im Standardmodell der Physik gibt es Teilchen wie Quarks und Leptonen und die Kraftüberträger, darunter das Photon, die W- und Z-Bosonen, sowie die Gluonen. "Dunkle Photonen" oder, besser gesagt, "dunkle Bosonen" wären für die dunkle Kraft theoretisch notwendig. Interessanterweise würde die postulierte schwache dunkle Kraft die dunkle Materie nicht anziehen sondern abstoßen und so ihrer Verdichtung durch die Gravitation etwas entgegenwirken.

Supersymmetrie

Es steht noch schlimmer um die Physik als wir noch gegen Ende des 20. Jahrhunderts dachten. Damals hat Stephen Hawking das nahe Ende der Physik vorhergesagt, wenn wir die Theory of Everything vollendet hätten haben sollen (nicht nur als Film). Die Physiker hätten dann nur noch hier und da an der Theorie zu feilen und einige Konstanten zu ermitteln gehabt.

Groß war deswegen die Überraschung, als 1998 entdeckt wurde, dass das Universum (seit dem Urknall) nicht nur expandiert sondern dass diese Expansion sich sogar im Laufe der Zeit beschleunigt! Die gängige Begründung ist, dass die Expansion des Universums nicht das Auseinanderfliegen der Teile darstellt, sondern die Entstehung von Raum. Alles bewegt sich auseinander, weil der Raum sich ausdehnt. Diese Expansion des Raumes ist mit einem "negativen Druck" verbunden, der die Galaxien noch schneller von uns wegtreibt, je weiter sie sich von uns entfernt befinden. Die dazugehörige Energie für diese Abstoßung nennt man "dunkle Energie", 70% der Masse des Universums sollen aus ihr bestehen. D.h. dunkle Energie und dunkle Materie bilden zusammen 95% des Universums und die Physiker haben noch keine echte Erklärung dafür, was das alles sein soll.

Einige sehen in dieser Energieform die von Einstein verworfene kosmologische Konstante (als die notwendige energetische Miete dafür, neuen Raum zu erschaffen). Einstein wollte sie haben, um das Universum zu stabilisieren - die heutige Variante sollte jedoch das Universum noch schneller expandieren lassen. Die Tabelle unten zeigt eine aktuelle Schätzung der postulierten Massenverteilung im All.6

Stoff Anteil der Masse des Universums
Übliche Materie 5%
Hintergrundstrahlung 0,01%
Neutrinos 0,1%
Schwarze Löcher 0,005%
Kalte dunkle Materie 25%
Dunkle Energie 69%

Es wäre nur anzumerken, dass die Planck-Mission leicht andere Werte aufgeworfen hat, und zwar 26.8% dunkle Materie, 68.3% dunkle Energie und 4.9% herkömmliche Materie. In der Tabelle ist die dunkle Energie (die nicht verwandt mit der dunklen Materie ist) die mysteriöseste aller "Stoffe": Man denkt, Quantenfluktuationen im Vakuum könnten die dunkle Energie erklären -- bis jetzt legt aber keiner die Hand ins Feuer dafür.

Die Physiker tendieren heute dazu, das erfolgreiche Standardmodell der Physik mit einem Spiegel zu ergänzen, d.h. zu den bekannten Teilchen sollen sogenannte "supersymmetrische Partner" kommen, die ihren spiegelsymmetrisch assoziierten Teilchen ähneln. Das Photino z.B. wäre das supersymmetrische Pendant des Photons. Das "Selektron" wäre die supersymmetrische Variante des Elektrons (siehe Abb. 4). Zu Quarks und Leptonen gäbe es auch supersymmetrische Entsprechungen, die massiv sein sollen und die man deswegen WIMPs nennt (Weakly Interacting Massive Particles). Das Neutralino wäre z.B. ein sehr guter Kandidat, um die dunkle Materie im Universum zu bilden. Man hat jedoch keine solchen Partikeln bei Beschleunigern beobachtet. Falls es sie alle gibt, sollten sie sehr massiv sein.

Deswegen ist eine der neuen Hoffnungen für den LHC am CERN, das mit der im letzten Jahr erfolgten Leistungserhöhung die neuen supersymmetrischen Partner der bekannten Teilchen im Standardmodell demnächst gefunden werden könnten. Das LHC ist ein Teilchenerzeuger, der aus purer Energie alle mögliche Teilchen schöpfen kann. Man muss aber dafür den passenden Energiebereich erreichen können.

Die Suche nach den supersymmetrischen Teilchen im Standardmodell ist aber nicht nur astronomisch interessant, denn das Leben unseres Universums hängt buchstäblich am seidenen Faden. Jetzt wo das Higgs-Boson endlich am CERN nachgewiesen wurde, teilen uns die Physiker fröhlich mit, dass das Higgs-Feld nur metastabil zu sein scheint (wie ein Ball am obersten Punkt eines Hügels). Eine Quantenfluktuation könnte das gesamte uns bekannte Universum im Laufe der nächsten Jahrmilliarden in einem Higgs Jüngsten Gericht vernichten:

"This calculation tells you that many tens of billions of years from now there'll be a catastrophe," Joseph Lykken, a theoretical physicist at the Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Ill., said ... here at the annual meeting of the American Association for the Advancement of Science."7

Um dies zu verhindern, braucht man die supersymmetrischen Teilchen, die dann die Rechnungen der Physiker stabilisieren könnten. Wenn man sie trotz allen Anstrengungen nicht finden würde, könnte die Physik in eine Krise geraten.8

Abb. 4: Supersymmetrie verdoppelt die Anzahl der Partikeln und gibt Fermionen Bosonen als Superpartner und umgekehrt (nach einer Abbildung in New Scientist). Das Neutralino für dunkle Materie könnte einer der S-Neutrinos sein. Bild: R. Rojas

Andere Alternativen

Dass wir ins Unbekannte stoßen, erkennt man auch daran, dass es nicht einen eindeutigen Kandidaten für die dunkle Materie gibt. Außer an WIMPs basteln andere Theoretiker auf Erklärungen aufbauend auf MACHOS (Massiv Compact Halo Objects), Axions, warme dunkle Materie (WDM), repulsive dunkle Materie (RDM), fuzzy dunkle Materie (FDM), selbstvernichtende dunkle Materie (SADM) und Schwarze Löcher.9

Andere Physiker versuchen durch Änderungen der Gravitationstheorie und passende kosmologische Konstanten die Phänomene zu erklären. Oder man lässt die Gravitationskraft variabel wirken, je nach Abstand zwischen den Massen. Diese sogenannte MOND-Theorien (Modifizierte Newtonsche Dynamik) ändern leicht Newtons inverse Abhängigkeit vom quadratischen Abstand und können damit teilweise die beobachteten Strukturen im All erklären.10

In einigen Jahrzehnten werden wir schlauer sein. Bis dahin wird es faszinierend sein zu beobachten, was die moderne Astronomie und die Teilchenbeschleuniger uns über die Zusammensetzung der Welt erklären können. Am Anfang des 20. Jahrhunderts befand sich die klassische Physik in einer ähnlichen Krise, als z.B. die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit nicht mit der Idee des Äthers in Korrespondenz gebracht werden konnte. Heute wissen wir viel mehr über die Welt. Aber trotz Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie sind uns plötzlich 95% des Universums abhanden gekommen. Welche neue Theorie sich durchsetzt wird abzuwarten sein. Gegenwärtig erblühen tausend Blüten, obwohl mein eigener Favorit die Supersymmetrie ist, da ich ein stabiles statt ein metastabiles Universum emotional bevorzuge. Dass dies alles hundert Jahre nach der Vorstellung der wunderschönen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie 1915 durch Albert Einstein geschieht11, ist eine passende Bescherung für die Theoretische Physik. Nichts lieben Physiker mehr als neue Rätsel. (Raúl Rojas)