Eine überraschende Erkenntnis der modernen Kosmologie ist, dass die baryonische Materie – aus der Sterne, Planeten und auch der Mensch bestehen – nur etwa fünf Prozent der Energiedichte im Universum ausmacht. Zu 95 Prozent dominieren Dunkle Energie und Dunkle Materie. Deren physikalische Natur ist aber bislang völlig unklar.

In den vergangenen Jahren erlebte die Kosmologie einen großen Umbruch. Eine Ursache hierfür sind genaue Beobachtungen der kosmischen Mikrowellenstrahlung, die aus der Frühzeit des Universums stammt: Sie liefert Informationen über den Zustand des Universums, als dieses etwa 370.000 Jahre alt war. Gleichzeitig ist es im Rahmen großer Himmelsdurchmusterungen gelungen, die Verteilung der Galaxien bis in große Entfernungen räumlich zu kartieren. Hieraus lässt sich ermitteln, wie sich einerseits die Galaxien selbst und andererseits die größten Strukturen im Universum, die Galaxienhaufen, im Lauf der vergangenen Milliarden Jahre entwickelt haben. Und schließlich konnten Wissenschaftler aus Beobachtungen weit entfernter Sternexplosionen, sogenannter Supernovae, die Ausdehnung des Universums mit der Zeit rekonstruieren. All diese Beobachtungen, die das Verhalten des Universums zu ganz verschiedenen Epochen seiner Geschichte zeigen, ergeben ein in sich geschlossenes Bild. Das aber konfrontiert uns mit großen Rätseln.

Das heutige kosmologische Modell legt zunächst die Gesamtdichte aller Materie und Energie im Universum fest. Demnach trägt die Materie nur etwa dreißig Prozent zur Gesamtbilanz bei. Doch nur etwa ein Sechstel hiervon ist die uns vertraute Materie aus Protonen, Neutronen und Elektronen, aus der alle Sterne, Planeten und auch wir Menschen bestehen. Der größte Teil ist unsichtbar und wird daher „Dunkle Materie“ genannt. Sie sendet kein Licht aus und verschluckt auch keines, sondern macht sich ausschließlich über ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar. Die Natur der Dunklen Materie ist indes völlig unklar. Vermutlich besteht sie aus einer uns unbekannten Art von Teilchen.

Den weitaus größten Anteil an der Gesamtdichte von Materie und Energie macht aber etwas anderes aus: ein Energiefeld, das den Kosmos beschleunigt auseinander treibt. Man nennt dies „Dunkle Energie“. Sie wirkt also der Materie entgegen, die mit ihrer Schwerkraft die Expansion des Raumes bremst. Nach heutiger Kenntnis überwiegt hierbei die Dunkle Energie, so dass sich das Universum auf ewige Zeit ausdehnen wird.

Damit besitzen die Kosmologen zwar ein Weltmodell, das mit allen Beobachtungsfunden in Einklang steht, das uns aber vor ein großes Rätsel stellt: Die Zusammensetzung des Universums ist uns zu mehr als 95 Prozent unbekannt. Hier berühren sich Kosmologie und Teilchenphysik. Die zentralen Fragen der Kosmologie nach der Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie verlangen nach konkreten Vorstellungen der Teilchenphysik, um welche Arten von Teilchen oder Quantenfeldern es sich bei beiden handeln könnte. Aus der Kosmologie allein können die Antworten nicht kommen. Umgekehrt ergeben sich aus den Theorien über den Aufbau der Materie Erwartungen an das Verhalten des Universums sowie den Aufbau und die Entwicklung seiner Strukturen. Hier erwarten wir eine fruchtbare Zusammenarbeit von Astro- und Teilchenphysik mit weit reichenden kosmologischen Konsequenzen.

Suche nach den Dunklen Teilchen

Schon der Schweizer Astronom Fritz Zwicky bemerkte um 1933, dass es sehr viel mehr Materie im Universum gibt als man bis dahin annahm. Er schloss dies aus den Bewegungen von Galaxien im Coma-Galaxienhaufen. Sie waren viel zu schnell, als dass die sichtbare Materie sie mit ihrer Schwerkraft im Haufen hätte halten können. Dazu war zehnmal mehr Materie notwendig. Beobachtungen von Spiralgalaxien bestätigen dieses Bild. Die Geschwindigkeiten, mit der die Sterne um deren Zentren laufen, sind viel zu hoch. Gäbe es nur die sichtbaren Sterne, Gas und Staub, so würden diese Galaxien auseinander fliegen. In beiden Fällen vermutet man riesige Mengen an Dunkler Materie, die diese Gebilde zusammen halten.

Ein wichtiges Instrument zum Nachweis Dunkler Materie sind auch sogenannte Gravitationslinsen geworden. Bei diesem Phänomen lenken große Massenansammlungen wie beispielsweise Galaxienhaufen das Licht mit ihrem Schwerefeld ab. Sie wirken dadurch wie gewaltige Linsen. Befindet sich zufällig ein Himmelskörper hinter einer solchen Gravitationslinse, so sehen wir von ihm ein verzerrtes Bild. Aufnahmen von Gravitationslinsen dienen dazu, die Gesamtmasse in dem Galaxienhaufen (der „Linse“) zu ermitteln. Auch diese Methode offenbart die gewaltigen Mengen an Dunkler Materie.

Von dieser unsichtbaren Substanz ist immerhin zweierlei bekannt. Zum einen kann die Dunkle Materie nicht mit Licht wechselwirken. Dies schließt man aus den gemessenen Temperaturschwankungen im Mikrowellenhintergrund. Zum anderen muss die Geschwindigkeit der Teilchen, aus denen die Dunkle Materie mutmaßlich zusammengesetzt ist, sehr viel kleiner sein als die des Lichts. Wäre sie der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar, wären kosmische Strukturen bis etwa zur Größe von Galaxien durch die rasche Bewegung der Teilchen zerstört worden. Insbesondere schließt man aus der Verteilung der Galaxien im Raum, dass die kleinsten Strukturen zuerst entstanden sind und erst nachfolgend die größeren, wie Galaxienhaufen. Hieraus ergibt sich die Eigenschaft, dass sich die Teilchen der Dunklen Materie im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit relativ langsam bewegen. Man spricht deshalb von kalter Dunkler Materie.

Die Kosmologen haben aus der Theorie weitere starke Hinweise auf die Eigenschaften der Dunklen Materie erhalten. So kann man in aufwendigen Computersimulationen verfolgen, wie sich in der Evolution des Universums erst die Galaxien gebildet haben, die sich dann zu den riesigen Galaxienhaufen zusammenfanden. Damit diese Rechnungen zu den heute beobachtbaren Strukturen führen, muss man die Existenz von Dunkler Materie annehmen. Sie bildete bereits im jungen Universum Massenansammlungen, in welche die normale Materie hineinströmte und sich zu Galaxien verdichtete.

Der Theorie der kosmischen Inflation zufolge entstanden die Dichteschwankungen im frühen Universum aus Quantenfluktuationen, die innerhalb kürzester Zeit auf kosmologische Skalen vergrößert wurden. Dabei sollten auch Gravitationswellen entstanden sein, deren Entdeckung eine Herausforderung für zukünftige Experimente darstellt.

Nach einer noch jungen Hypothese ist es auch denkbar, dass sich Teilchen der Dunklen Materie in den Galaxienzentren, wo ihre Dichte besonders hoch ist, gegenseitig vernichten können. Ist dies tatsächlich der Fall, so müsste man die hierbei frei werdende Gammastrahlung mithilfe geeigneter Teleskope nachweisen können.

Doch worum handelt es sich bei der Dunklen Materie? Neutrinos galten lange Zeit als Kandidaten für sie. Das kann man heute ausschließen, wie später noch erläutert wird. An dieser Stelle müssen die Teilchenphysiker den Kosmologen zu Hilfe kommen und Vorschläge machen, welche Art von Teilchen überhaupt in Frage kommen. Umgekehrt zieht die Kosmologie das Standardmodell der Teilchenphysik in Zweifel. Der heute wohl viel versprechendsten Hypothese zufolge könnte es sich um Elementarteilchen handeln, deren Existenz die Theorie der Supersymmetrie fordert. Um einige der von ihr vorgeschlagenen Teilchen nachzuweisen, sind bereits Experimente in Planung und im Bau, wie etwa am Large Hadron Collider am CERN. Gleichzeitig laufen Experimente oder sind im Aufbau, mit denen man die Teilchen der Dunklen Materie direkt nachweisen will. Da diese Partikel mit der normalen Materie nur sehr schwach wechselwirken, müssen diese Experimente unter extremen Bedingungen stattfinden. So werden einige im Gran-Sasso-Labor in Italien installiert, wo sie eine 1,5 Kilometer dicke Gesteinsschicht des Apennin vor unerwünschten Störteilchen aus dem Kosmos abschirmt.

Dunkle Energie beschleunigt die Expansion

Während Teilchenphysiker und Kosmologen bei der Frage nach der Natur der Dunklen Materie konkrete Lösungsansätze vorschlagen, ist die Lage bei der Dunklen Energie erheblich rätselhafter. Damit sie die beobachtete beschleunigte Ausdehnung des Universums verursachen kann, muss ihr Druck negativ sein. Das allein läuft zwar der Intuition zuwider, ist aber theoretisch möglich. Bestimmte Arten postulierter Quantenfelder können tatsächlich einen negativen Druck erzeugen, der so wirkt, als verursache er eine abstoßende Gravitation. Modelle dafür zu konstruieren, ist Aufgabe der Teilchenphysik. Allerdings bleibt hier ein erheblicher Spielraum offen, weil konkrete experimentelle Einschränkungen fehlen.

Der für die beschleunigte Expansion notwendige negative Druck verhindert, dass die Dunkle Energie Strukturen bilden kann. Dennoch greift sie in die kosmische Strukturbildung ein, weil sie den Ablauf der kosmischen Ausdehnung verändert. Kosmische Strukturen aus Dunkler Materie mussten bei ihrer Entstehung gegen die allgemeine Ausdehnung des Universums anlaufen. Abhängig vom Modell für die Dunkle Energie bildeten sich diese Strukturen früher oder später in der kosmischen Geschichte, und entsprechend werden auch die Zentralbereiche dieser Gebilde mehr oder weniger dicht. Computersimulationen sind hier zu einem wichtigen Werkzeug der Kosmologen geworden.

Auf welche Weise können wir mehr über die Dunkle Energie erfahren? Zum einen werden Kosmologen genauer herausfinden, wie sich die Expansion des Universums seit dem Urknall entwickelt hat. Beobachtungen bestimmter Sternexplosionen (Supernovae vom Typ Ia) und des schwachen Gravitationslinseneffektes großer kosmischer Strukturen erscheinen hierfür derzeit am besten geeignet. Ferner wird das Studium der erwähnten indirekten Auswirkungen der Dunklen Energie auf die kosmischen Strukturen den Zusammenhang zwischen Teilchenphysik, Kosmologie und beobachtender Astronomie weiter vertiefen. Erst wenn wir wissen, worum es sich bei der Dunklen Materie und der Dunklen Energie handelt, werden wir die gesamte Evolution des Kosmos bis zu seinem Ende verstehen.