Dunkle Materie als permanente Überraschung

Der Bullet-Galaxienhaufen gilt als bester Hinweis für die Existenz der Dunklen Materie. Bild: Nasa

Wettlauf des Wunschdenkens

Immer wieder verkünden astrophysikalische Beobachtungen aufregende Hinweise auf Dunkle Materie. Die eindeutigsten Daten dazu, samt ihren Ungereimtheiten, geraten darüber zunehmend in Vergessenheit. Vor allem befindet sich die Astrophysik in einem methodischen Teufelskreis: Die endgültige Entdeckung der Dunklen Materie scheint oft zum Greifen nahe, die endgültige Widerlegung undenkbar.

Kaum ein paar Wochen vergehen, ohne dass Wissenschaftler bei den verschiedensten Gelegenheiten Hinweise auf Dunkle Materie finden. Es ist zum täglichen Brot der Wissenschaftsredaktionen geworden, die Allgemeinheit über den geheimnisvollen Stoff im Universum auf dem Laufenden zu halten, so wie zum Beispiel hier, hier oder hier.

Solche Artikel haben interessante Gemeinsamkeiten. Meistens steht die Aussage voran, man wisse, dass das Universum große Mengen an Dunkler Materie enthält, jedoch sei ein direkter Nachweis bisher noch nicht gelungen - vielleicht aber doch der aktuellen Beobachtung. Gewöhnlich schließt der Artikel mit der Bewertung, dass die Beobachtung sensationell wäre, sollte sie sich bestätigen. So verbleibt der Leser zwar gespannt, aber doch mit dem Nachgeschmack des Vorläufigen.

Unter dem Trommelfeuer von Hinweisen gerät fast in Vergessenheit, was die zuverlässigsten Daten sind, die zur Annahme von Dunkler Materie geführt haben - Beobachtungen an Galaxienrändern. Der niederländische Radioastronom Robert Sanders hat die wechselvolle Geschichte dieser Entdeckung in einem ausgezeichneten Buch The "Dark Matter Problem" dargestellt. Mit seiner fünfzig Jahre umfassenden Perspektive bildet es bildet einen wohltuenden Kontrast zu den wissenschaftlichen Tagesnachrichten, und zeigt gleichzeitig schwerwiegende Ungereimtheiten des Konzeptes auf.

Der Bullet-Galaxienhaufen gilt als bester Hinweis für die Existenz der Dunklen Materie. Bild: Nasa

Wie kam man überhaupt auf Dunkle Materie?

Obwohl der ebenso exzentrische wie geniale Astrophysiker Fritz Zwicky schon 1933 darauf hingewiesen hatte, dass etwas mit den Massen von Galaxien nicht stimmte, fanden erst Ende der 1950er Jahre Radioastronomen heraus, dass Gaswolken Galaxien viel schneller umrunden, als dies mit der Anziehungskraft erklärlich war.

Es dauerte lange, bis sich der Rest der Astronomen davon überzeugte - auch Vera Rubin, eine Pionierin der Galaxienforschung, wurde lange für ihre Beobachtungen verlacht, als sie feststellte, dass auch die Umlaufgeschwindigkeit der äußeren Sterne zu groß war. Robert Sanders schreibt über die schon damals nur vermeintliche Objektivität bei der Meinungsbildung der Wissenschaftler:

Es existierte eine Gruppendynamik, die sich weigerte, offensichtliche Beweise für eine Anomalie zu akzeptieren, und dann, in einer 180 Grad-Wende, geradezu überall Dunkle Materie zu sehen.

Robert Sanders

Offenbar dauert diese Phase bis zur Gegenwart an. Betrachten wir aber nochmals genauer, worin die Anomalie lag, die zum Postulat von Dunkler Materie führte.

Da die Stärke der Gravitation mit der Distanz stark abnimmt, sollte die Umrundungsgeschwindigkeit von Sternen und Gaswolken ebenfalls mit der Distanz zum Galaxienzentrum abnehmen - ganz analog zu dem Fall, wie in unserem viel kleineren Sonnensystem die Geschwindigkeit der äußeren Planeten geringer ist.

Erstaunlicherweise sind aber die Geschwindigkeiten in ganz verschiedenen Distanzen zum Galaxienzentrum nahezu konstant. Man zeichnet dies gewöhnlich in einem Diagramm auf, das den erwarteten Fall als A, die tatsächliche Messung als B enthält, und daher den anschaulichen Namen "flache Rotationskurve" bekommen hat (s. Bild). Tausende von Spiralgalaxien zeigen dieses merkwürdige Verhalten, und der naheliegende Schluss war, dass unsichtbare Dunkle Materie in jenen Bereichen vorhanden ist, in denen die erwartete von der tatsächlichen Geschwindigkeit abweicht.

Geschwindigkeiten von Gaswolken in Abstand vom Galaxienzentrum. Bild: PhilHibbs/CC-BY-SA-3.0

Vieles bleibt unerklärt

Hier beginnen allerdings schon die Probleme, die sich mit der simplen Annahme einer nicht leuchtenden Substanz ergeben würden. Allein die Tatsache, dass kleine Galaxien relativ mehr Dunkle Materie enthalten sollen, ist eigentlich widersprüchlich. Und so gibt es eine ganze Reihe von Zusammenhängen (die man unter dem Namen Skalenrelationen zusammenfasst), die mit der Idee eines Dunkle-Materie-Teilchens nicht zu erklären sind. Sanders nimmt die simplifizierende Sicht der Dinge aufs Korn:

Die Physiker wissen, dass die Rotationskurven flach sind. Sie wissen dagegen nichts über die Regelmäßigkeiten der Rotationskurven oder globalen Skalenrelationen und sind auch nicht sehr daran interessiert, etwas darüber zu erfahren.

Robert Sanders

Denn eine nähere Betrachtung der Dynamik der Galaxien lässt das ganze Konzept der Dunklen Materie als etwas voreilig erscheinen. Aber nur wenige, wie zum Beispiel Pavel Kroupa von Argelander-Institut der Universität Bonn, geben sich mit den Widersprüchen in den Daten ab. Kroupa ist unter Astrophysikern hochgeachtet, gilt aber auch als Spielverderber.

Letztlich ist die zu Grunde liegende Annahme, eine immerhin milliardenfach größere Galaxie funktioniere im Prinzip genauso wie das Sonnensystem, reichlich naiv. Denn das Gravitationsgesetz kann man auf größeren Skalen nur mit zusätzlichen Annahmen retten, wie etwa Mike Disney, ein weiterer konservativer Astronom, trocken anmerkt. Auch er hatte in einem Artikel die mit dunkler Materie nicht erklärbaren Regelmäßigkeiten der Galaxiendynamik aufgezeigt.

Immer schon erstmals, direkt durch die Hintertür

Die Forschung scheint sich in getrennten Welten abzuspielen, so als könne man einen ernsthaften Widerspruch durch positive Evidenz an anderer Stelle heilen.

Zu einer besonderen Unsitte hat sich dabei entwickelt, Beobachtungen als "direkt" zu bezeichnen. Die Rotationskurven der Galaxien waren insofern nur ein indirekter Beleg für Dunkle Materie, weil sie auf der Annahme beruhen, dass das Gravitationsgesetz auf großen Skalen gilt (was tatsächlich naiv sein könnte). Andere Belege für Dunkle Materie fußen auf anderen Annahmen, die teilweise noch viel exotischer sind. Sie sind also in anderer Weise indirekt, wogegen im Prinzip nichts einzuwenden wäre, wenn die eingehenden Hypothesen klar bezeichnet wären. Seit 2006, als der Bullet-Galaxienhaufen intensiv als Evidenz propagiert wurde (ein gleichartiger Haufen widerspricht dem jedoch), beansprucht praktisch jede Beobachtung der Dunklen Materie das Attribut "erstmals direkt", was zweifellos dann seine Berechtigung hat, wenn sich die vorhergehende "direkte" Evidenz wieder in Luft aufgelöst hat - was oft, aber dann eher im Stillen geschieht.

Um es kurz zu fassen: Die Interpretation von Beobachtungen als Dunkle Materie hat sich zu einem Verkaufsinstrument entwickelt. Die Ursache für dieses Entfachen von Strohfeuern liegt in der Forschungsorganisation. Wissenschaftler stehen unter permanentem Veröffentlichungsdruck und eine prägnante Schlagzeile bringt manchmal mehr für die Mitteleinwerbung als eine nachhaltige Analyse.

"Das wirkliche Problem ist: Dunkle Materie ist nicht falsifizierbar"

Unerkannte Schieflage in der Methode

Es gibt viele Gruppen, die hochpräzise Daten aus teuren Großexperimenten gewinnen, und dies aus rechtfertigen müssen. Gerade wegen ihrer Präzision können diese Daten die verschiedensten winzigen Effekte enthalten. Zur Extraktion des gewünschten Signals ist nicht nur das fehlerfreie Herausrechnen nötig, sondern überhaupt die Kenntnis aller Mechanismen. Die Wahrscheinlichkeit von systematischen Fehlern nimmt somit stetig zu und ist prinzipiell nicht quantifizierbar.

Wie Nassim Taleb in seinem Bestseller "The Black Swan" ausführt, sind es eben die unbekannten Unbekannten, die einen Strich durch die Rechnung machen können. Fast zwangsläufig gibt es daher früher oder später Abweichungen von den erwarteten Ergebnissen. In Kombination mit den zahlreichen Möglichkeiten, die von den Theoretikern für die Dunkle Materie vorgeschlagen wurden, ist dies aber gefährlich. Denn es gibt kaum eine unerwartete Beobachtung, die nicht mit entsprechenden Annahmen als Evidenz für dunkle Materie interpretiert werden könnte.

Dass es zu vorläufigen Fehlinterpretationen kommen kann, ist natürlich. Aber erschreckend ist, wie wenig sich Wissenschaftler der Mängel ihrer eigenen Urteilsfähigkeit bewusst sind. Denn ersehnte Entdeckungen wie die Dunkle Materie sind einfach spannender als Fehlersuche. Das Prüfen und Testen bei der Auswertung, das Erwägen eines Irrtums, ist ein frustrierendes Geschäft, die Erwartung des Durchbruchs dagegen, die Vorstellung, die Ersten zu sein, eine süße Frucht. Niemand kann behaupten, davon unbeeinflusst zu bleiben.

Fehlende Selbstreflexion

Es gibt eine grundlegende Asymmetrie, die die Forschung zur Dunklen Materie derzeit methodisch fragwürdig macht. Alle nehmen prinzipiell für sich in Anspruch, den sensationellen Nachweis der Dunklen Materie führen zu können. Dass ein Experiment einen ebenso sensationellen Nachweis der Nichtexistenz erbringt, ist dagegen undenkbar. Denn es gibt sehr viele Arten von Dunkler Materie, über die man spekulieren kann. Eine zu finden, würde für eine Weltsensation reichen. Alle ausschließen kann man nie. Robert Sanders kommt zu dem resignierenden Schluss:

Das wirkliche Problem ist: Dunkle Materie ist nicht falsifizierbar. Der Einfallsreichtum der theoretischen Physiker kann jeder astronomischen Nicht-Detektion mit der Erfindung neuer Kandidaten begegnen.

Robert Sanders

Und so besteht nicht nur die reale Gefahr, dass durch Artefakte eine oder mehrere Arten von Dunkler Materie "etabliert" werden, die dann jede Beobachtung "erklären" können, sondern auch, dass grundsätzlich Alternativen nicht mehr erwogen werden. Denn Dunkle Materie kann auch durch permanente Hinweise, die sie "immer wahrscheinlicher" machen, den Status einer physikalischen Realität erlangen. Man könnte hier die Forschungen von Harry Collins, Peter Galison oder Andrew Pickering zitieren, aber ganz praktisch gesprochen: Eine Behauptung, sei sie auch oberflächlich begründet, prägt sich viel mehr ein als eine Monate später erscheinende Relativierung - sind uns diese Mechanismen aus den Tagesnachrichten nicht allzu bekannt?

Wirkliche Entdeckungen waren in der Wissenschaftsgeschichte dagegen regelmäßig Dinge, die sich niemand wünschte.

Dr. Alexander Unzicker ist Physiker, Jurist und Sachbuchautor. Sein Buch "Vom Urknall zum Durchknall" wurde 2010 von "Bild der Wissenschaft" als Wissenschaftsbuch des Jahres ausgezeichnet, zwei seiner Bücher sind auch auf Englisch erschienen. In seiner Kolumne "Hinterfragt" bei Telepolis greift er mit einem kritischen Blick Themen rund um die Physik auf.

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