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Eine Illustration einiger der Hauptverdächtigen der dunklen Materie und einiger außenstehender Anwärter (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))Sprung zu:

• Warum ist dunkle Materie so problematisch?
• Mit den WIMPs
• Was ist mit den Axionen?
• Nur eins noch: MACHOs.
• Winzige schwarze Löcher seit Anbeginn der Zeit
• Ist unsere Theorie der Schwerkraft falsch?

Obwohl Halloween heute zweifellos im Mittelpunkt steht, gibt es noch ein weiteres gruseliges Ereignis, das es zu feiern gilt. Am Donnerstag (31. Oktober) ist auch in diesem Jahr der Tag der Dunklen Materie, an dem Wissenschaftler die Jagd nach dem geheimnisvollsten Stoff des Universums feiern.

Der Tag wird seit 2017 begangen und besteht in diesem Jahr aus über 350 globalen, regionalen und lokalen Veranstaltungen, die darauf abzielen, die Öffentlichkeit für das Geheimnis der dunklen Materie zu begeistern.

Und wie könnte kosmischeweiten.de den Tag der Dunklen Materie besser begehen, als die aktuellen Verdächtigen der Dunklen Materie zu versammeln? Fangen wir an, oder?

Bevor wir mit der kosmischen Aufstellung beginnen, lohnt es sich, einen Blick auf den „Tatort“ zu werfen, um festzustellen, warum die dunkle Materie ein so großes Rätsel darstellt, das die Wissenschaftler unbedingt lösen wollen.

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Warum ist dunkle Materie so problematisch?

Denken Sie an alles, was Sie tagtäglich um sich herum sehen: Ihr Bett, das Wasser aus dem Wasserhahn, Ihren Fernseher, Ihr Frühstück, jedes Auto und jeden Bus, den Sie auf dem Weg zur Arbeit sehen, Ihre Kollegen, Ihren Schreibtisch und Ihren Computer, Ihren Sessel und das Glas Wein, wenn Sie nach Hause kommen, die Katze von nebenan und das unerwünschte „Geschenk“, das sie in Ihrem Garten hinterlassen hat – und sogar Sie selbst.

All diese Dinge bestehen aus Materie, die aus Atomen zusammengesetzt ist, die ihrerseits aus Teilchen der Baryonenfamilie aufgebaut sind: Protonen, Neutronen und Elektronen.

Lassen Sie uns nun weiter in die Ferne gehen. Wir verlassen die Erde (die übrigens auch aus baryonischer Materie besteht). Der Mond besteht ebenfalls aus der gleichen Art von Materie, über die wir gesprochen haben, und auch die anderen Planeten. Zwischen den Planeten Mars und Jupiter befinden sich Asteroiden im Hauptasteroidengürtel. Diese bestehen aus baryonischer Materie. Eisige Kometen im Kuipergürtel am äußeren Rand des Sonnensystems? Jawohl, baryonische Materie.

Trotz ihres feurigen Charakters besteht auch die Sonne aus diesen baryonischen Bausteinen – ebenso wie jeder Stern und jeder Exoplanet außerhalb des Sonnensystems. Das gilt auch für exotische und tote Sterne wie Weiße Zwerge und Neutronensterne sowie für Pulsare und Schurkenwelten. Das gilt sogar für das Gas und den Staub, die zwischen all diesen Dingen schweben.

Nun bedenken Sie Folgendes: Baryonische Materie macht nur 15 % der gesamten Materie im Universum aus.

Der Rest ist dunkle Materie.

Und wir haben keine Ahnung, was dunkle Materie ist.

Ein Diagramm zeigt das Verhältnis der dunklen Materie zur „normalen“ Materie, aus der Sterne, Planeten und Katzen bestehen (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wir können all die oben aufgeführten Dinge sehen, weil die Baryonen, aus denen die Atome bestehen, stark mit Lichtteilchen oder Photonen und untereinander wechselwirken.

Dunkle Materie ist anders.

Das liegt daran, dass sie entweder nicht mit der gewöhnlichen Materie und den Photonen wechselwirkt oder dies auf eine so schwache und seltene Weise tut, dass wir sie nicht nachweisen können. Daher ist die dunkle Materie für uns praktisch unsichtbar. Dennoch wissen wir, dass es dunkle Materie geben muss, denn wir können auf ihre Anwesenheit schließen. Das liegt daran, dass sie zwar nicht mit der elektromagnetischen Kraft der Photonen, wohl aber mit der Schwerkraft wechselwirkt. Diese Wechselwirkung lässt sich anhand der Auswirkungen der dunklen Materie auf das Licht und auf die alltägliche Materie beobachten.

Der Bullet Cluster, zwei kollidierende Galaxienhaufen, die den Astronomen Beweise für die Existenz von dunkler Materie geliefert haben. (Bildnachweis: NASA/CXC/M. Markevitch et al/STScI/Magellan/U. Arizona/D. Clowe et al/ESO WFI)

Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Universum Gestalt annahm, als die Materie entlang der Fäden der dunklen Materie im kosmischen Netz floss und sich an den Knotenpunkten, an denen sich diese Fäden treffen, zusammenballte. Heute wirbeln die Galaxien so schnell, dass sie ohne die Gravitationseinflüsse der unsichtbaren dunklen Materie, die sie umgibt, auseinanderfallen würden.

Untersuchen wir nun einige der zwielichtigen Gestalten, die zu den Hauptverdächtigen der dunklen Materie gehören.

Mit den WIMPs

Teilchen, die perfekt in das Standardmodell der Teilchenphysik passen – die beste Beschreibung, die wir von den Teilchen des Universums und ihren Wechselwirkungen haben – passen nicht zu den Eigenschaften der dunklen Materie.

Das hat Physiker dazu veranlasst, nach Erweiterungen des Standardmodells zu suchen, die potenzielle Kandidaten für dunkle Materie enthalten könnten. Ein möglicher Rahmen ist die so genannte „Supersymmetrie“ oder „SUSY“. Diese Idee besagt, dass es für jedes Teilchen des Standardmodells einen Partner gibt, der einen anderen „Spin“-Wert besitzt. Ein Spinwert ist eine Quantenform des Drehimpulses.

Eine große Klasse von SUSY-Teilchen, die für die dunkle Materie verantwortlich sein könnten, sind die „WIMPs“ oder „Weakly Interacting Massive Particles“. Es gibt keine strenge Definition für WIMPs, aber die meisten Modelle deuten darauf hin, dass es sich um elektrisch neutrale, nicht-baryonische Teilchen handelt, die schwer sind und sich langsam bewegen, also „kalt“ sind. Diese schwere Natur würde es WIMPs ermöglichen, sich dort zu sammeln, wo Galaxien und Galaxienhaufen entstehen, was bei leichten und sich schnell bewegenden Teilchen der dunklen Materie nicht möglich ist.

Hypothetische Beispiele für WIMPs sind Neutrinos der vierten Generation, die schwerer sind als Standardneutrinos (wegen ihrer schwachen Wechselwirkung mit Materie oft als „Geisterteilchen“ bezeichnet), Kaluza-Klein-Teilchen und Neutralinos.

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Teilchen, aus denen die Masse und die Kräfte des Universums bestehen. (Bildnachweis: MissMJ/WikimediaCommons)

Ein Experiment, das intensiv nach Physik jenseits des Standardmodells sucht, ist der Large Hadron Collider (LHC), der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, der unter der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz liegt und vom CERN betrieben wird.

„Das Standardmodell allein bietet keine Erklärung für die dunkle Materie. In vielen Theorien sagen Wissenschaftler voraus, dass das leichteste supersymmetrische Teilchen stabil und elektrisch neutral ist und nur schwach mit den Teilchen des Standardmodells wechselwirkt“, erklärt das CERN auf seiner Website. „Das sind genau die Eigenschaften, die für die dunkle Materie erforderlich sind.“

Doch bisher wurden am LHC keine Hinweise auf Teilchen jenseits des Standardmodells entdeckt. Ebenso wenig haben sich diese schwach wechselwirkenden Teilchen in Strömen geladener Teilchen, der so genannten kosmischen Strahlung, manifestiert, die die Erde aus nahe gelegenen Galaxien und Galaxienhaufen bombardieren. Dies hat einige Zweifel an der WIMP-Hypothese aufkommen lassen, aber die Entdecker der dunklen Materie würden ihnen definitiv raten, die Stadt nicht zu verlassen.

Was ist mit den Axionen?

Axionen sind hypothetische Teilchen, die leichter sind als WIMPs, aber dennoch Eigenschaften haben, die sie zu guten Kandidaten für dunkle Materie machen. Insbesondere würden Axionen, falls sie existieren, nicht mit Photonen wechselwirken und wären somit „unsichtbar“ wie dunkle Materie.

Interessanterweise wurden Axionen nicht als erste Hypothese als Kandidat für dunkle Materie aufgestellt. Diese Teilchen, die ebenfalls unentdeckt bleiben, wurden 1978 unabhängig voneinander von den Physikern Frank Wilczek und Steven Weinberg vorgeschlagen. Der Zweck der Axionen war es, ein Problem des Standardmodells zu lösen, nämlich eine Asymmetrie, die als „starkes CP-Problem“ bezeichnet wird. Das starke CP-Problem ist viel zu kompliziert, um es hier zu erläutern.

Erst später wurden Axionen als potenzieller Kandidat für kalte dunkle Materie vorgeschlagen. Heute gelten sie als die wahrscheinlichsten Verdächtigen im Fall der dunklen Materie.

„Axionen sind einer der Hauptkandidaten für dunkle Materie“, sagte der Forscher Malcolm Fairbairn vom Kings College London in einer Erklärung Anfang des Jahres. „Wenn wir in der Lage wären, das Axion zu finden, würde uns das wahrscheinlich helfen, eine der größten Fragen der Wissenschaft zu lösen, an der wir seit über einem Jahrhundert arbeiten, und die Geschichte des frühen Universums aufzudecken“.

Eine Illustration zeigt einen hypothetischen Axionstern, der Aufschluss über dunkle Materie geben könnte. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Damit Axionen die dunkle Materie erklären können, müssen sie aufgrund ihres geringen Gewichts in großer Zahl existieren. Das bedeutet, dass sie auch in dichten Ansammlungen gepackt sein müssten. Wenn dies der Fall wäre, könnten sich Axionen in Regionen mit hoher Konzentration an dunkler Materie, wie etwa in den Zentren von Galaxien, zu so genannten „Axionsternen“ zusammenfinden.

Obwohl sie der Hauptverdächtige im Rätsel der dunklen Materie sind, konnten Wissenschaftler bisher keine Axionen nachweisen. Außerdem haben aktuelle Experimente Axionen in dem von Wilczek und Weinberg erstmals postulierten Massen- und Energiebereich ausgeschlossen. Dennoch sind viele Wissenschaftler zuversichtlich, dass sie diesen kalten Kandidaten für dunkle Materie auf den Fersen sind.

„Wir haben entdeckt, dass sie [Axionen] die Fähigkeit haben, das Universum zu erhitzen, genau wie Supernovas und gewöhnliche Sterne, nachdem sie in dichten Klumpen zusammengekommen sind“, sagte Fairbairn. „Mit diesem Wissen wissen wir mit viel größerer Sicherheit, wohin wir unsere Instrumente im Feld richten müssen, um sie zu finden.“

Die offensichtliche Wahl für dunkle Materie sind Teilchen außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik, wie die oben erwähnten. Aber wie bei den besten Rätseln sollte auch hier ein Schuldiger auftauchen können, der glaubt, dem Verdacht entgangen zu sein.

Nur eins noch: MACHOs.

Eine mögliche Erklärung für die dunkle Materie, die sich nicht auf neue Teilchen oder Erweiterungen des Standardmodells berufen müsste, sind „MACHOs“ oder „Massive Compact Halo Objects“. Dabei handelt es sich um Himmelskörper, die wenig bis gar keine Strahlung aussenden und allein durch den interstellaren Raum driften, was bedeutet, dass sie einfach zu schwach sind, um gesehen zu werden.

Auch wenn Sie vielleicht noch nie von MACHOs gehört haben, sind Sie wahrscheinlich mit einigen der Objekte vertraut, die für diese Kategorie vorgeschlagen wurden. Dazu gehören kühle rote Zwergsterne, „gescheiterte Sterne“, braune Zwerge und stellare Überreste wie weiße Zwerge und Neutronensterne. Einige Wissenschaftler halten auch isolierte schwarze Löcher mit Sternmasse für potenzielle MACHOs.

Zwei Seiten eines „toten“ Neutronensterns. (Bildnachweis: Carl Knox/OzGrav)

MACHOs scheinen gut zum Konzept von Occam’s Razor oder dem „Prinzip der Sparsamkeit“ zu passen, das besagt, dass die Hypothese, die die wenigsten Elemente erfordert, wahrscheinlich die richtige ist. Wenn Ihr Opfer ein Einschussloch in der Brust hat, ist es wahrscheinlich, dass der Verdächtige, der den rauchenden Colt in der Hand hält, der Täter war.

Doch trotzdem sind diese Objekte bei den Jägern der dunklen Materie weitgehend in Ungnade gefallen. Das liegt zum Teil daran, dass es, selbst wenn MACHOs die dunkle Materie erklären würden, nicht genug dieser Körper gibt, um die gesamte dunkle Materie zu erklären. Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass alle als MACHOs bezeichneten Körper zusammen nur 20 % der dunklen Materie ausmachen könnten.

Das bedeutet, dass man ohnehin zusätzliche Entitäten vorschlagen müsste, um diese anderen 80 % der dunklen Materie zu erklären.

Der Rückgang der Unterstützung für MACHOs als dunkle Materie lässt sich kaum besser erklären als durch den theoretischen Physiker John Ellis vom King’s College London.

In einem Nature-Artikel von 2016 sagte Ellis einfach: „MACHOs are dead.“

Winzige schwarze Löcher seit Anbeginn der Zeit

Ein merkwürdiger Kandidat für dunkle Materie, auf den einige Wissenschaftler hinweisen, sind primordiale schwarze Löcher, die kurz nach dem Urknall übrig geblieben sind – einige der frühesten Momente unseres Universums.

Supermassive Schwarze Löcher, die im Herzen aller großen Galaxien sitzen, haben die millionen- oder manchmal sogar milliardenfache Masse unserer Sonne, und Schwarze Löcher mit stellarer Masse, die beim Kollaps massereicher Sterne entstehen, haben die 10- bis 100-fache Masse der Sonne – aber man nimmt an, dass Schwarze Löcher aus der Urzeit viel weniger monströs sind.

Die Masse der primordialen schwarzen Löcher soll zwischen der eines Planeten und eines durchschnittlichen Asteroiden liegen. Das bedeutet, dass sie nicht durch den Gravitationskollaps eines sterbenden Sterns entstanden sein können; kein Stern ist so klein. Stattdessen vermuten die Wissenschaftler, dass anfängliche Dichtefluktuationen im frühen Universum die ursprünglichen Schwarzen Löcher hervorgebracht haben könnten.

Die relativ geringe Masse der ursprünglichen schwarzen Löcher würde ihnen auch eine winzige Größe verleihen. Hätte ein schwarzes Urloch eine Masse, die etwa der der Erde entspricht, wäre es nicht breiter als ein Zehncentstück. Hätte ein Schwarzes Loch aus der Urzeit eine Masse, die in etwa der eines Asteroiden entspricht, wäre es kleiner als ein Proton.

Es ist kein Wunder, dass diese schwarzen Löcher, falls sie existieren, unentdeckt geblieben sind.

Ein Diagramm, das den enormen Größenunterschied zwischen supermassiven schwarzen Löchern und hypothetischen primordialen schwarzen Löchern zeigt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Primordiale Schwarze Löcher könnten gut zu dunkler Materie passen, da sie wie alle Schwarzen Löcher von einseitig lichtbrechenden Oberflächen, den sogenannten „Ereignishorizonten“, begrenzt werden. Das würde bedeuten, dass diese schwarzen Löcher, wie auch die dunkle Materie, kein Licht emittieren oder reflektieren.

Die Hypothese von den „ursprünglichen schwarzen Löchern als dunkle Materie“ hat jedoch einen großen Makel. Stephen Hawking schlug vor, dass schwarze Löcher eine Form von Wärmestrahlung abgeben, die später „Hawking-Strahlung“ genannt wurde. Diese sollte schließlich dazu führen, dass ein Schwarzes Loch verdampft, bis es in einer Explosion verschwindet. Da die Temperatur eines Schwarzen Lochs jedoch umgekehrt proportional zu seiner Masse ist, gilt: Je größer ein Schwarzes Loch ist, desto kälter ist es und desto langsamer „entweicht“ es. Das bedeutet, dass wirklich massereiche Schwarze Löcher, wie supermassereiche Schwarze Löcher und sogar einige stellare Schwarze Löcher, eine Zeitspanne benötigen würden, die länger ist als die Lebensdauer des Kosmos selbst, um zu verdampfen.

Dies gilt jedoch nicht für winzige primordiale schwarze Löcher, die sehr heiß sind und daher sehr effizient Wärmestrahlung an den kalten Weltraum abgeben. Wenn die Hawking-Strahlung zutrifft, müssten diese kleinen schwarzen Löcher schon vor langer Zeit in einer „Hitzewolke“ verschwunden sein. Das bedeutet, dass es sie jetzt nicht mehr gibt, um die dunkle Materie zu erklären.

Das ist ein gutes Alibi.

Das hat jedoch nicht alle Detektive der dunklen Materie davon überzeugt, den Fall der urzeitlichen schwarzen Löcher aufzugeben. Einige Wissenschaftler haben eine Reihe von Rettungsmechanismen vorgeschlagen, die es den primordialen schwarzen Löchern ermöglichen könnten, im 14,6 Milliarden Jahre alten Universum ein längeres Leben zu führen. Sie bleiben also im Rahmen der dunklen Materie, zumindest vorläufig.

Ist unsere Theorie der Schwerkraft falsch?

Eine andere Möglichkeit, die dunkle Materie zu erklären, ist, dass es überhaupt keine dunkle Materie gibt, die erklärt werden muss.

Die 1982 von dem israelischen Physiker Mordehai Milgrom entwickelte modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) legt nahe, dass die dunkle Materie gar nicht erst existiert. MOND legt stattdessen nahe, dass die Anpassung von Isaac Newtons zweitem Bewegungsgesetz (das besagt, dass die Geschwindigkeit der Impulsänderung eines Körpers in Größe und Richtung gleich der Kraft ist, die die Änderung verursacht).

Diese Anpassung würde in Fällen geringer Beschleunigung gelten, wie sie beispielsweise von Sternen am Rande einer wirbelnden galaktischen Scheibe empfunden wird. Dies würde die Notwendigkeit der Existenz dunkler Materie im Grunde zunichte machen, da kein „Klebstoff“ erforderlich wäre, um Galaxien zusammenzuhalten.

Man kann ein Verbrechen nicht aufklären, wenn kein Verbrechen begangen wurde.

Hat der berühmteste Physiker der Geschichte die Schwerkraft falsch eingeschätzt? (Bildnachweis: NASA)

Das große Problem mit MOND ist, dass es nur diesen speziellen Aspekt erklären kann, der Astronomen wie Vera Rubin dazu veranlasst hat, die Existenz der dunklen Materie anzunehmen: die Tatsache, dass Galaxien trotz ihrer schnellen Rotation zusammengehalten werden.

Andere seither entdeckte Phänomene, die auf die Existenz dunkler Materie hindeuten, wie z. B. die stärkere Ablenkung des Lichts um Galaxien, als es die sichtbare Materie dieser Galaxien verursachen würde, werden von MOND nicht ganz erfasst.

MOND kämpft auch damit, die Fluktuationen zu erklären, die als „baryonische Oszillationen“ bezeichnet werden und im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) zu sehen sind, einem „kosmischen Fossil“, einem Strahlungsfeld, das das gesamte Universum durchdringt und von einem Ereignis übrig geblieben ist, das kurz nach dem Urknall stattfand. Da MOND keine Theorie ist, die auf Einsteins allgemeiner und spezieller Relativitätstheorie beruht, müssten diese Anpassungen des Newtonschen Gesetzes alle Phänomene erklären, die zur Bestätigung dieser Theorien herangezogen wurden, die seit über einem Jahrhundert Bestand haben.

Infolgedessen haben die meisten Wissenschaftler das Konzept der Überarbeitung der Newtonschen Gravitation aufgegeben, nur einige wenige engagierte Astrophysiker halten noch daran fest.

Natürlich besteht immer noch die Möglichkeit, dass MOND, zusammen mit einem der anderen Verdächtigen, die wir oben aufgelistet haben, schließlich als die wahre Antwort auf das Rätsel der dunklen Materie enthüllt wird.

Bis zum nächsten Tag der Dunklen Materie im Jahr 2025 werden sicherlich neue Beweise gesammelt worden sein, und ein neuer Verdächtiger könnte anstelle der Axionen die Führung übernehmen. Vielleicht werden WIMPs und MACHOs bis dahin wieder auftauchen, oder vielleicht wird das Alibi der ursprünglichen schwarzen Löcher endlich vollständig bröckeln.

Das ist das Schöne an einem ungelösten Rätsel.