Wie man sieht, sieht man (fast) nichts - Dunkle Materie sagt, wo es lang geht

Das legendäre Hubble Deep Field

Bildbeschreibung:
Das legendäre Hubble Deep Field zeigt Tausende von Galaxien bis in eine Entfernung von mehr als zehn Milliarden Lichtjahren - und doch ist das meiste im All nicht zu sehen.

Die meiste Materie im Universum ist nicht zu sehen. Dennoch kommen die Astronominnen und Astronomen der Existenz dieser vor allem Dunklen Materie auf die Spur, erklärt der Kosmologe Andreas Tammann von der Universität Basel.

"Man kann die Materie im Universum auf verschiedene Art nachweisen: Zum einen das, was man wirklich leuchten sieht am Himmel. Zum anderen kann man ausrechnen, wieviel Materie man braucht, um die Rotation von Galaxien und die Bewegung von Galaxien und Galaxienhaufen zu erklären. Es gibt eine scheußliche Diskrepanz zwischen dem, was man wirklich leuchten sieht und dem, was man so auf indirekte Weise über das Gravitationsgesetz ableiten kann. Da ist so ungefähr ein Faktor vier mal mehr dunkle als sichtbare Materie."

Gravitation, also die Anziehungskraft, ist die Grundeigenschaft "normaler" Materie, wie wir sie aus dem Alltag kennen. Schon in unserer eigenen Milchstraße verrät sich dunkle, also nicht leuchtende Materie durch ihre Anziehungskraft auf andere, sichtbare Objekte: Die Bewegung der Sterne in den äußeren Bereichen der Milchstraße läßt sich nur verstehen, wenn es in diesen Außenbereichen sehr viel Dunkle Materie gibt. Dieser Befund zeichnete sich etwa Anfang der 80er Jahre ab. Heute laufen große Suchprogramme, um nach vermuteten "Machos" zu suchen. Macho steht für massives, kompaktes Halo-Objekt - also für kompakte Objekte (etwa sehr schwache Sterne), die sich im Halo der Milchstraße befinden könnten.

Die Astronomen wissen also, daß sie im All eigentlich fast nichts sehen - die meiste Materie ist der direkten Beobachtung entzogen. Doch es kommt noch schlimmer: Aus der durch viele Beobachtungen gut untermauerten Urknall-Theorie folgt, daß von der anziehenden Materie nur etwa ein Viertel aus "normaler" Materie besteht, aus der auch wir und alles um uns herum aufgebaut sind. Der Rest besteht aus einer anziehenden Materiesorte, die niemand kennt. Doch die Kosmologen gewinnen selbst dieser mysteriösen Materie viel Gutes ab...

"Tatsächlich wird diese Materie einem sehr, sehr sympathisch, wenn man fragt, wie sind die Galaxien überhaupt im expandierenden Universum entstanden. Die Materie im Universum mußte sich ja gegen die Expansion lokal zusammenklumpen, um Galaxien zu bilden. Das kann man heute im Computer nicht nachvollziehen ohne die Hilfe dieser Dunklen Materie."

Die Bewegung einer solchen Spiralgalaxie

Bildbeschreibung:
Die Bewegung einer solchen Spiralgalaxie (NGC 1232; 100 Millionen Lichtjahre entfernt) läßt sich nur verstehen, wenn die Galaxie viel mehr Materie enthält als in Sternen und leuchtenden Nebelmassen zu sehen ist.

Die Grundfrage der Kosmologie ist, wie aus dem unglaublich heißen Brei aus Materie und Strahlung unmittelbar nach dem Urknall das heute hoch strukturierte Universum entstehen konnte. Der Kosmos ist heute alles andere als ein Einheitsbrei. Es gibt Sterne und Galaxien, Galaxienhaufen und große Leerräume. Wie konnten sich diese Strukturen bilden?

Zum Glück der Astronomen ist der Urknall noch nicht ganz verloschen. Egal wohin die Forscher am Himmel auch gucken - überall stoßen sie auf eine äußerst schwache Radiostrahlung. Diese "Mikrowellen-Hintergrundstrahlung" ist das Nachleuchten des Urknalls. Sie hat sich auf den Weg zu uns gemacht, als der gut 400.000 Jahre alte Kosmos durchsichtig wurde - zuvor war der Kosmos ein einziges Gemisch aus Materie und Strahlung.

Für Teleskope ist es die letzte Grenze, da der Kosmos vorher - also aus heutiger Sicht in noch größerer Entfernung - undurchsichtig war. Die einst heiße Reststrahlung des Urknalls hat sich durch die Ausdehnung des Kosmos mittlerweile auf etwa 3 Grad Kelvin, also -270 Grad Celsius, abgekühlt. Doch die uralte Strahlung ist für das Team um John Carlstrom von der Universität von Chicago buchstäblich weltbewegend:

"Wir haben schwache Variationen in der Hintergrundstrahlung gefunden. Diese Schwankungen sind letztlich die Samen aller heutigen Strukturen im Kosmos. Zudem können wir mit unseren Beobachtungen Theorien vom Aufbau der Welt bestätigen oder verwerfen. Die Daten passen sehr gut zur Inflationstheorie, nach der sich das Universum einen Sekundenbruchteil nach dem Urknall explosionsartig von winzigen Ausmaßen auf enorme Größe ausgedehnt hat."

Die minimalen Schwankungen der Strahlung - da gibt es wärmere und kältere Flecken - entsprechen unterschiedlich großen Materieansammlungen 400.000 Jahre nach dem Urknall. Heute sind aus diesen ersten Unregelmäßigkeiten im kosmischen Brei gewaltige Ansammlungen von Galaxien geworden. Was uns das angeht? Wäre der Brei damals perfekt gleichmäßig gewesen, hätten sich nie die kosmischen Strukturen gebildet. Dann gäbe es heute keine Galaxien, keine Sterne, keine Planeten - keine Menschen!  

Lebenswichtige Flecken in der Hintergrundstrahlung

Bildbeschreibung:
Lebenswichtige Flecken in der Hintergrundstrahlung: DASI-Beobachtungen zeigen, dass 400.000 Jahre nach dem Urknall Strahlung und Materie nicht völlig gleichmäßig verteilt waren. Aus diesen Unregelmäßigkeiten haben sich im Laufe der Zeit alle Strukturen im Kosmos gebildet, wie Galaxienhaufen, Gaswolken, Sterne und Planeten.

Die neuen Daten passen am besten zur so genannten Inflationstheorie. Nach dieser Theorie hat sich das Universum ganz kurz nach dem Urknall in einem winzigen Moment von nicht einmal atomarer Größe auf enorme Ausmaße aufgebläht. Danach ging dann die Ausdehnung des Kosmos im "normalen" Tempo weiter. Diese zunächst etwas skurril anmutende Theorie löst auf elegante Weise ein fundamentales Problem der Astronomie, erklärt Andreas Tammann:

"Es gibt das so genannte Kausalitätsproblem. Wenn Sie weit, weit nach Westen gucken und wenn sie weit, weit nach Osten gucken in den Raum hinaus, dann sehen Sie dort Gebiete, die nie ein Signal austauschen konnten. Trotzdem beobachtet man da die gleichen Sterne, man mißt da die gleichen Temperaturen und diese Gebiete haben offensichtlich Information gemeinsam. Das verstehen wir nicht, weil sie ja noch nie in Kontakt waren. Ich sage das jetzt vielleicht zu persönlich, aber das Gebiet im Westen kann nicht wissen, wie heiß das Gebiet im Osten war, weil noch nie ein Lichtstrahl von einem Ort zum anderen reisen konnte. Aber in der Inflationstheorie ist das furchtbar Schöne, daß das Universum vor der Inflation klein war. Diese beiden Gebiete da im Westen und im Osten waren Nachbarn, und die lagen innerhalb ihres Horizontes und konnten Lichtstrahlen austauschen."

Was auch immer in der Frühphase des Kosmos in jenem heißen Urbrei passiert ist, ob und - wenn ja - wie die kosmische Inflation stattgefunden hat: Es hat sich als Fleckenmuster in der 3-Kelvin-Mikrowellenstrahlung verewigt - wenn auch nur äußerst schwach, erklärt John Carlstroms Mitarbeiter Erik Leitch:

"Wir suchen am Himmel nach Temperaturunterschieden von einigen hunderttausendstel Grad. Das ist unglaublich wenig. Die Beobachtungen sind nicht einfach. Allein der Erdboden ist fast 300 Grad heißer als die von uns beobachtete Strahlung. Doch unsere Mühe lohnt sich: Denn das Schöne an der Erforschung der Hintergrundstrahlung ist, daß wir dabei die grundlegendsten Fragen überhaupt stellen. Woraus besteht das Universum? Was wird aus unserem Kosmos? Und: Woher kommen wir?"

Für dieses ehrgeizige Projekt gilt: Weiter und kälter geht es nicht - und zwar gleich im doppelten Sinne. Zum einen blicken die Chicagoer Astronomen über 14 Milliarden Lichtjahre weit hinaus in den Kosmos - die extrem kalte Hintergrundstrahlung ist die Kulisse, vor der sich alles Sichtbare im Kosmos abspielt. Zum anderen haben sich die Forscher den wohl unwirtlichsten Ort auf der Erde für ihre Messungen ausgesucht: den Südpol.

Dort steht in extremer Kälte und Trockenheit steht das DASI-Teleskop, das noch Flecken in der Hintergrundstrahlung zeigt, die am Himmel fünfmal kleiner als der Vollmond sind. Nie zuvor haben Forscher so präzise unsere kosmischen Anfänge untersucht. Die etwas wärmeren bzw. kälteren Flecken, also die Gegenden, in denen etwas mehr bzw. etwas weniger Materie war, sind die Folge von Schallwellen, die durch das noch blutjunge Weltall liefen. Aussehen und Größe der Flecken in der Hintergrundstrahlung verraten noch heute die "Musik der Schöpfung", freut sich John Carlstrom:

"Die große Neuigkeit ist, daß der Kosmos auch in Obertönen klingt. Das Gute an Obertönen ist, daß sie verraten, welches Instrument gespielt wird, ob das eine Gitarre oder eine Trompete ist. Genauso lernen wir mit den Obertönen viel über das junge Weltall. Den Grundton hatten bereits Kollegen vor einigen Jahren entdeckt. Aber erst diese beiden neuen Töne zeigen uns, was da in Schwingung war, also woraus das All besteht."

Nach der Theorie hängen die Töne, also Größe und Art der Flecken in der Hintergrundstrahlung, vom Aufbau der Welt ab. Alle Bestandteile des Alls haben praktisch ihren eigenen Fingerabdruck in der Hintergrundstrahlung hinterlassen. Jetzt ist John Carlstrom von den eigenen Ergebnissen verblüfft:

"Normale Materie, woraus Sie und ich bestehen, also das Material, das aus Sternen kommt, ist offenbar nicht das, woraus das Universum zum Großteil besteht. Wir haben jetzt gelernt, daß die normale Materie nur etwa 5 Prozent ausmacht, etwa 30 Prozent sind Dunkle Materie, die sich nur über ihre Anziehung verrät, aber nicht zu sehen ist. Völlig rätselhaft sind die etwa 65 Prozent Dunkle Energie. Statt die Materie anzuziehen, treibt sie das Universum immer schneller auseinander. Das sprengt schlicht den Verstand - wir ahnen zwar in etwa, was im Universum passiert, und doch scheint unsere Materie nur ein ganz kleiner Teil davon zu sein."

Da reibt sich selbst die Fachwelt verwundert die Augen: Unsere Materie ist nur "Zugabe" im Kosmos - die wahre Macht im All bleibt unsichtbar. Sie schubst und zerrt die wenige sichtbare Materie hin und her wie tanzende Korken auf der Meeresoberfläche.

Positiv formuliert fällt die Bilanz so aus: Erstens, Urknall- und Relativitätstheorie stehen heute besser da als je zuvor. Zweitens, die aus unserer Sicht "normale" Materie ist in Wahrheit der Exot im Kosmos... Andreas Tammann weiß als erfahrener Kosmologe um die Grenzen seines Fachs:

"Letztlich, so glaube ich persönlich, wird man das Universum überhaupt nie verstehen können. Der Urknall selber, mit dem das Universum anfing, wird letztlich immer eine Hypothese bleiben. Wir werden zum Beispiel nie die Frage beurteilen können, ob das Universum endlich oder unendlich ist. Ich glaube es gibt Fragen, deren Antwort sich uns nie erschließen wird. Deswegen freue ich mich eigentlich mehr darüber, was überhaupt funktioniert, als daß ich darüber enttäuscht wäre, daß noch nicht alles erklärt ist."