Weshalb gibt es "Dunkle Materie"?

Die Schwerkraft und ihre Wirkung

Seit Newton weiß jeder, dass Materie durch Schwerkraft bewegt werden kann. Newton formulierte um 1670 die Gesetze zur Schwerkraft, mit der die Bewegung und Beschleunigung von Objekten beschrieben werden. Sie folgten genauestens den von Kepler und Galilei 200 bis150 Jahre zuvor ausgetüftelten Regelmäßigkeiten bei Bewegungen: Die Planeten bewegen sich ganz zuverlässig in (leicht elliptischen) Bahnen um die Sonne und Steine fallen beschleunigt zur Erde. Die Schwerkraft hält auch die Erdatmosphäre fest; ohne sie würden wir keine Luft zum Atmen haben.

Die Astronomie beschäftigt sich mit den großräumigen Strukturen im Universum. Dabei spielen die räumliche Verteilung der Objekte und deren Bewegung eine wichtige Rolle. So wusste Kepler schon, dass die Bahngeschwindigkeit der Planeten kleiner ist, je weiträumiger diese sich um die Sonne bewegen.

Fehlt Masse?

Etwa vor hundert Jahren fing man dann an, die Milchstraße und andere Galaxien zu untersuchen. Dies lieferte 1932/33 zwei Überraschungen:
1. Der niederländiche Astronom Oort fand heraus, dass die Dicke der Scheibe der Milchstraße kleiner ist, als er aus der vorhandenen Masse und deren Schwerkraftwirkung erklären konnte - etwa so ähnlich, wie wenn die Schwerkraft der Erde die Erdatmosphäre zu stark zusammenhalten würde. Oort meinte, um ausreichend Schwerkraft zu erzeugen, müsse es daher noch weitere Materie geben, die er nicht sehen konnte - Materie, die er deswegen "Dunkle Materie" nannte.
2. Der Schweizer Astronom Zwicky untersuchte einen so genannten Galaxienhaufen. In einem System von sich frei bewegenden Objekten sollte es eine Bilanz geben zwischen der gesamten Bewegungsenergie der Objekte und der so genannten potentiellen Energie (die Fähigkeit, mit Hilfe der Schwerkraft der vorhandenen Masse das System zusammenzuhalten). Er fand nun, dass die Bewegungsenergie in dem großen Galaxienhaufen im Sternbild Virgo viel zu groß war und schloss daraus (da eben der Haufen stabil war), dass es dort mehr Materie geben sollte, die er nicht sah, also Dunkle Materie.
Die beiden Befunde konnten nicht erklärt werden und die Frage des "Weshalb" schlummerte dann ein halbes Jahrhundert vor sich hin.

Der Galaxienhaufen Abell 2218.

Bildbeschreibung:
Bild des Galaxienhaufens Abell 2218. Galaxienhaufen können nach heutiger Erkenntnis gravitativ nur zusammengehalten werden, wenn sie mehr Masse als die sichtbare enthalten, wenn es dort zusätzlich "Dunkle Materie" gibt. Die Bögen sind durch Gravitationslinsen verzerrte Bilder von Hintergrundgalaxien. Das Bild wurde 1999 mit dem HST aufgenommmen (siehe http://www.spacetelescope.org/images/html/heic0113c.html).

Ende der 70er Jahre des 20. Jh. konnte man mit den neuen Radiosyntheseteleskopen sehr genau andere Spiralgalaxien untersuchen. Spiralgalaxien rotieren. Die Objekte in jeder Galaxie bewegen sich im Schwerefeld der Galaxie und sie sollten (nach Kepler!) langsamer rotieren, je weiter sie vom Zentrum der Galaxie entfernt sind. Wieder eine Überraschung: Sie bewegten sich nicht langsamer! Dies konnte man nur durch die Annahme "erklären", dass es insbesondere im Außenbereich der Galaxien mehr Materie gibt, als man sehen kann, also Dunkle Materie!

Dunkle Materie: die große Unbekannte

So kam es zu der "Geistermaterie". Und keiner weiß, was das ist. Später gab es noch weitere und andersartige Messungen, die ebenfalls auf "fehlende" Materie hinwiesen. So enthalten große Galaxienhaufen heißes Gas, das im Röntgenbereich leuchtet, und zwar so viel, dass die sichtbare Materie dieses heiße Gas nicht zusammenhalten kann. Noch etwas ganz anderes wurde entdeckt: Die Abbildungen weit entfernter Galaxien erscheinen oft verzerrt. Dies kann nur verstanden werden, wenn es unterwegs unsichtbare Massenanhäufungen gibt, die das Licht ablenken und wie eine "Gravitationslinse" wirken. Auch in diesen Fällen muss sehr viel mehr Materie vorhanden sein, als man sieht.

Forscher suchen nach wie vor intensivst nach Erklärungsmöglichkeiten, insbesondere, da es die Dunkle Materie fast überall zu geben scheint. Oder genauer gesagt, die Wirkung der Newton'schen Gravitation stimmt nicht mit der dreidimensionalen Verteilung und der Bewegung der bekannten Materie überein. Es ist völlig unklar, wann eine Erklärung gefunden wird!