zwei nebeneinander angeordnete Sternspiralen mit Pfeilen, die die Rotationsrichtung angeben

„Dunkle Materie sollte den Takt angeben“

Sterne, Planeten, Staub und Gas im Milchstraßensystem sind nach heutigen Vorstellungen in ein Netz aus Dunkler Materie eingebettet. Der überwiegende Teil der Galaxis ist damit völlig unsichtbar – lediglich über seine Schwerkraft macht sich der bisher rätselhafte Stoff bemerkbar. So beeinflusst Dunkle Materie etwa die Rotationsgeschwindigkeit der galaktischen Scheibe: Obwohl die äußeren Bereiche sehr viel weniger sichtbare Materie enthalten als das dichte Zentrum, fällt die Drehgeschwindigkeit über die gesamte Scheibe nahezu konstant aus, statt nach außen hin geringer zu werden. Im frühen Kosmos weichen Galaxien aber offenbar von diesem Muster ab. Das zeigen aufwendige Messungen, die Astronomen nun im Fachmagazin „Nature“ vorstellen. Demnach nimmt die Rotationsgeschwindigkeit von sechs massereichen Galaxien im fernen Universum zu den Rändern hin ab. Dies steht im Widerspruch zu den Erwartungen, deutet es doch darauf hin, dass in den weit entfernten Systemen die sichtbare Materie die Dynamik bestimmt. Welt der Physik sprach mit Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching über diese Ergebnisse.

Welt der Physik: Wie ist die Dunkle Materie im heute beobachtbaren Universum verteilt?

Reinhard Genzel: Auf den ganz großen Skalen können die Strukturen durch eine Art strukturierte Suppe aus kalter Dunkler Materie erklärt werden. Die Hypothese war und ist, dass diese Suppe aus Dunkler Materie durch ein nichtrelativistisches, massereiches Elementarteilchen dargestellt wird. Wenn das wirklich so ist, stellt sich die Frage, wie die Dunkle Materie auf den etwas kleineren Skalen innerhalb von Galaxiensystemen verteilt ist. Von unserem lokalen Universum wissen wir, dass auf Größenskalen von rund 30 000 Lichtjahren bei den meisten Milchstraßensystemen die Dunkle Materie dominiert. Diese Galaxien rotieren meistens und man sieht, dass die Rotationsgeschwindigkeit durchweg konstant ist oder sogar nach außen hin ansteigt – und dass, obwohl die Dichte an sichtbarer Materie nach außen hin abnimmt. Daher wissen wir aus Analysen, dass da mehr sein muss als die sichtbare Materie.

Porträtfoto des Wissenschaftlers
Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

Würde man diese Verteilung von Dunkler Materie prinzipiell auch in älteren Galaxien erwarten?

Ja, das würde man in der Tat. In unseren Beobachtungen haben wir Galaxien vor rund zehn Milliarden Jahren gesehen, also rund vier Milliarden Jahre nach dem Urknall. Laut unserer Vorstellung hat sich damals die Dunkle Materie im expandierenden Universum in den Bereichen, wo sie besonders dicht war, verklumpt. Dadurch bildete sie aufgrund der Gravitation lokal Anhäufungen. Das sind dann die Stellen, an denen die ersten Milchstraßensysteme entstanden. Deshalb sollte die Dunkle Materie den Takt angeben und häufig sein, vielleicht sogar dominieren.

Wie sah das Universum denn vor zehn Milliarden Jahren aus? Welche Unterschiede gab es im Vergleich zum heutigen Universum?

Etwa ein bis zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall betrug der Anteil der sichtbaren Masse, der damals schon in Galaxien vorhanden war, vielleicht 10 bis 15 Prozent der heutigen Masse; die restliche Materie war diffus verteilt. Vor sechs bis zehn Milliarden Jahren hat dann die Galaxienbildung stattgefunden, während der sich innerhalb von wenigen Milliarden Jahren rund fünfzig bis sechzig Prozent aller Materie in solchen Galaxiensystemen zusammengeballt haben. Die Wachstumsrate der Galaxien, die wir durch die Sternentstehungsrate bestimmen, war damals riesig und um das Fünfzehn- bis Zwanzigfache als heute. Heutzutage befinden wir uns in der Endphase dieser Entwicklung.

Wie haben Sie diese alten und weit entfernten Galaxien beobachtet?

Dafür haben wir sehr komplexe Geräte des Very Large Telescopes der Europäischen Südsternwarte ESO verwendet. Es handelt sich dabei um sehr anspruchsvolle Messungen, die extrem viel Zeit in Anspruch nehmen: Über vier Jahre hinweg haben sie insgesamt siebzig Beobachtungsnächte am Very Large Telescope beansprucht. So konnten wir erstmals die Rotationsgeschwindigkeiten dieser weit entfernten Galaxien vermessen.

Was war das Ergebnis Ihrer Beobachtungen?

Wir haben herausgefunden, dass die Wirklichkeit nicht ganz so einfach aussieht, wie die theoretische Vorstellung sie beschreibt. Denn wir haben gesehen, dass bei diesen alten Galaxien die Rotationskurven nicht flach waren oder ansteigen wie im heutigen Universum, sondern abfielen. Das war zunächst etwas seltsam. Anfangs wussten wir auch nicht, ob dieser Abfall nicht vielleicht auf Messfehlern beruht, schließlich sind das sehr schwierige Messungen. Aber nachdem wir sichergestellt hatten, dass unsere Messungen richtig sind, wurden die Belege immer stärker. Wir haben eingehende Analysen für sechs Galaxien durchgeführt, und da ist es ohne Zweifel so, dass deren Rotationskurven abfallen: Die Außenbereiche rotieren langsamer als die inneren Regionen.

In rechteckigen Boxen zeigen farbige Verteilungen auf der linken Seite die Helligkeitsmessungen an insgesamt sechs Galaxien bei einer bestimmten Wellenlänge. Auf der rechten Hälfte der Abbildung ist die jeweilige Geschwindigkeitsverteilung innerhalb der Galaxie abgebildet.
Spektroskopische Beobachtungen von sechs Galaxien

Was sagen diese Ergebnisse über die Materieverteilung im Universum aus?

Erst einmal müssen unsere Beobachtungen von unseren Forscherkollegen bestätigt werden. Ich bin mir ziemlich sicher, dass sie genügend Aufmerksamkeit erregen werden und dass wir erst einmal viel Kritik hören werden – etwa dass das, was wir gemessen haben, entweder nicht wahr ist oder dass es sich nur um Ausnahmeobjekte handelt. Aber nehmen wir einmal an, dass wir das Richtige gemessen haben – wovon wir überzeugt sind –, dann bedeutet das, dass die Verteilung von Dunkler Materie und sichtbarer Materie zu diesem Zeitpunkt anders war als in modernen Galaxien. Es scheint so, als hätte damals nicht die Dunkle Materie dominiert, sondern die sichtbare Materie.

Warum war die Dunkle Materie im frühen Universum offenbar anders in den Galaxien verteilt als heute?

Einerseits gab es in den damaligen Galaxien sehr viel mehr Gas als heute. Dadurch hat sich innerhalb von relativ kurzer Zeit ein dichter Kern aus gewöhnlicher Materie im Inneren der Galaxien gebildet. Da die Dunkle Materie ausschließlich über die Schwerkraft wechselwirkt, hat sie viel länger gebraucht, um sich so zu verdichten und die Rotationsgeschwindigkeit der Galaxien zu dominieren. Man könnte auch darüber nachdenken, ob die Verteilung der Dunklen Materie in diesen frühen Phasen des Universums generell noch nicht so einfach war, wie unsere Computersimulationen das seit vielen Jahren beschreiben.

Gibt es noch eine weitere Erklärung?

Da gehen wir wirklich in die Spekulation. Noch radikaler ist die Möglichkeit dass das, was wir kalte Dunkle Materie nennen, gar nicht das ist, was wir glauben. Seit vielen Jahren suchen Wissenschaftler nach einem derartigen Elementarteilchen. Bislang hat man nichts gefunden. Das heißt jetzt nichts Konkretes, aber die Kollegen aus der Teilchenphysik sind schon etwas beunruhigt, da sie seit vielen Jahren im Labor immer genauer messen und immer noch nichts gefunden haben. Da kann man sich durchaus fragen, ob es nicht sein könnte, dass wir nach dem falschen Teilchen suchen. Vielleicht besteht die Dunkle Materie nicht aus einem massereichen Teilchen, sondern aus einem leichteren Teilchen, das auf großen Skalen genau die Strukturen produziert, die wir beobachten, aber auf kleinen Skalen möglicherweise ganz anders verteilt ist. Das muss man alles erst einmal abwarten, aber es ist eine wichtige Frage, die wir jetzt zum ersten Mal angehen können.