Ganz groß trifft ganz klein - den Kosmos in die Zange nehmen

Der Komplex Ara OB1: eines der aktivsten Sternentstehungsgebiete

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Der Komplex Ara OB1 enthält viele helle und dunkle Nebelmassen und ist eines der aktivsten Sternentstehungsgebiete. Der Ausschnitt überdeckt etwa die Fläche des Vollmonds - wieviel Dunkle Materie mag mit auf dem Bild, aber nicht zu erkennen sein?

Astrophysik und Elementarteilchenphysik haben sehr viel gemeinsam. Und das sogar in doppelter Hinsicht: Zum einen waren im ganzen Kosmos kurz nach dem Urknall die Energien so hoch (der Kosmos war "so heiß"), daß Phänomene der Teilchenphysik dominierten. Die (im Vergleich zu allen anderen Kräften extrem schwache) Schwerkraft spielte noch keine Rolle im Kosmos. Nach der Theorie vom inflationären Universum haben sich die heutigen gewaltigen Strukturen im Kosmos aus Quantenfluktuationen im soeben aus dem Urknall entstandenen Universum entwickelt. Zum anderen gibt es im Universum sehr viel Dunkle Materie völlig unbekannter Sorte.

Dunkle Materie ist zwar nicht direkt zu sehen, aber die Astronomen tappen dennoch nicht völlig im Dunkeln: Denn Dunkle Materie leuchtet zwar nicht, aber sie zieht an - und somit verrät sie sich indirekt durch ihre Anziehung auf sichtbare Objekte. So enthalten Galaxien viel mehr Materie als dort zu sehen ist - die leuchtende Materie allein reicht gar nicht aus, die Galaxien zusammenzuhalten und die Bewegung der Sterne zu erklären. Die Astronomen sehen also, daß sie vom All fast nichts sehen... Vielleicht können da diejenigen Physiker helfen, die sich mit dem Aufbau der Materie beschäftigen - wie John Ellis vom Genfer Teilchenbeschleuniger CERN:

Der LHC

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Der LHC (der Großen Hadron-Schleuder) bei CERN wird in einem Tunnel aufgebaut. Das LHC soll mit verschiedenen Detektoren ausgestattet werden um Kollisionen von Protonen mit anderen Teilchen zu Detektieren. Wird man dabei Hinweise auf Teilchen finden, die die Dunkle Materie ausmachen?

"Die Astronomen sagen uns, daß da draußen viel Dunkle Materie sein muß - aber sie sagen uns nicht, woraus genau diese Materie besteht. Wir als Teilchenphysiker versuchen mit unseren Beschleunigern und anderen Experimenten, bisher unbekannte Teilchen zu entdecken. Astronomen und Teilchenphysiker ergänzen sich wunderbar. Das ist wirklich eine fruchtbare Symbiose zwischen der Physik des ganz Kleinen und der Physik des ganz Großen."

Das Problem ist verzwickt: Denn aus der durch viele Beobachtungen gut untermauerten Urknall-Theorie folgt, daß es im All sehr viel "exotische" Materie geben muß. Sie besteht nicht aus den "normalen" Teilchen, aus denen auch wir und alles um uns herum aufgebaut sind.

"Eine beliebte Theorie ist, daß die Dunkle Materie aus Teilchen besteht, die nur ganz wenig mit normaler Materie wechselwirken und die sehr schwer sind - vielleicht hundertmal schwerer als ein Wasserstoffkern. Eine sehr spekulative Theorie, die so etwas vorhersagt, ist die "Supersymmetrie". Danach sollte es zu jedem bekannten Teilchen ein anderes Teilchen geben, das den gleichen Aufbau hat, aber sozusagen anders dreht. Die leichtesten dieser supersymmetrischen Teilchen könnten die Mehrheit der Dunklen Materie ausmachen."

Die vier Teleskope des VLT

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Die vier Teleskope des VLT erwarten den Sonnenuntergang. Sie gelten als die besten optischen Teleskope weltweit - und doch bleiben ihnen mindestens 95 Prozent des Kosmos prinzipiell verborgen!

Die Supersymmetrie ist eine schöne Idee - ob sie stimmt, ist bisher völlig unklar. Experimentelle Versuche, solche Teilchen nachzuweisen, brachten noch kein klares Ergebnis. Das CERN baut deshalb jetzt noch größere Experimente und wartet auf die neue Teilchenschleuder LHC. Aber die Dunkle Materie läßt sich auch ohne aufwendige Beschleuniger erforschen. Womöglich fällt die Dunkle Materie buchstäblich vom Himmel...

"Da kommen ständig Teilchen aus dem Weltraum zu uns, so genannte Kosmische Strahlung. Viele der heute bekannten Elementarteilchen wurden zuerst in der Kosmischen Strahlung entdeckt. Im Moment rätseln wir über ein paar äußerst energiereiche Kosmische Strahlen. Möglicherweise sind das Bruchstücke extrem schwerer Teilchen, die ein weiterer Kandidat für die Dunkle Materie sind. Wir suchen jetzt in der Kosmischen Strahlung nach Hinweisen auf deren Existenz."

Doch so "exotisch" solche Teilchen und auch die Theorie der Supersymmetrie klingen mögen - gemessen am größten Rätsel der Dunklen Materie ist das alles geradezu real...

"Die Kosmologen meinen, daß es zusätzlich zur normalen Materie und zur bisher diskutierten Dunklen Materie noch eine besondere Art von abstoßender Materie gibt, die den leeren Raum selbst füllt. Manche sprechen von der "Dunklen Energie", die das Universum immer schneller auseinander treibt. Die Astronomen beobachten, daß sich das All immer schneller ausdehnt. Eine harte Nuß für uns Theoretiker. Diese Dunkle Energie zu berechnen wird eine unserer größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts sein."