Dunkle Materie

Nach dem dritten Keplerschen Gesetz nimmt die Bahngeschwindigkeit eines Planeten, der die Sonne umkreist, mit zunehmender Entfernung von der Sonne ab. Diese fundamentale Gesetzmäßigkeit gilt aber nicht nur für die Planeten im Sonnensystem, sondern sie ist grundlegend für alle Körper im Universum, die einen anderen umkreisen. So gilt das dritte Keplersche Gesetz genauso für alle Sterne, die das Zentrum einer Galaxie umkreisen.

Galaxien rotieren wie wir heute wissen und diese Rotation kann man mit Hilfe der Spektroskopie messen. Dazu mißt man die Dopplerverschiebung der Spektrallinien. Wenn wir zumindest nicht genau von oben auf eine rotierende Galaxie sehen, bewegt sich ein Teil dieser Galaxie auf uns zu und der andere von uns weg. Nach dem dritten Keplerschen Gesetz rotieren die Sterne nahe am Zentrum einer Galaxie am schnellsten und je weiter man sich vom Zentrum der Galaxie entfernt, desto langsamer kreisen die Sterne um das Galaxienzentrum.

Die Messungen von rotierenden Galaxien zeigen aber ein anderes Bild. Die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne nimmt nach außen zum sichtbaren Rand der Galaxie nicht ab, sondern bleibt in etwa konstant. Das wurde schon in den 70er Jahren festgestellt. Auch spätere Messungen von Rotationskurven vieler Galaxien zeigen immer wieder das gleiche Bild. Soweit man nach außen in die lichtschwachen Bereiche geht, wo noch etwas messbar ist; die Rotationskurve bleibt konstant und fällt nicht ab. Wie kann das sein?

Dark Matter Diagramm
Blaue Linie: Berechnete Umlaufgeschwindigkeit der Sterne in einer Galaxie
nach den Keplergesetzen
Rote Linie: Beobachtete Umlaufgeschwindigkeit der Sterne in einer Galaxie
Quelle: Wikipedia
Bild: Johannes Schneider
Lizenz: CC BY-SA 4.0

Die beobachteten Rotationskurven der Galaxien können nur dadurch erklärt werden, dass die Galaxien nicht so klein sind wie das, was wir von ihnen sehen, sondern viel größer und ausgedehnter sind. Es muß also noch bis weit außerhalb der sichtbaren Galaxie Materie vorhanden sein. Diese Materie können wir aber nicht sehen und deshalb hat sie den Namen dunkle Materie bekommen.

Jede Galaxie ist von einem Halo dunkler Materie umgeben (violett)
© Mario Lehwald

Aber was ist diese dunkle Materie? Diese Frage gibt es schon sehr lange und sie ist auch heute immer noch nicht beantwortbar. Unser früherer Vereinsvorsitzender, der schon damals Astrophysiker war, glaubte dass sich diese Frage einmal so leicht aufklären wird wie die Feststellung im vorigen Jahrhundert, dass es den berühmten Äther (eine Substanz in der sich Lichtwellen ausbreiten) nicht gibt. Aber die dunkle Materie erweist sich als doch viel hartnäckiger. Wir können heute nur sicher sagen, dass wir ihre Wirkung messen können.

Über die Form der dunklen Materie gibt es daher nur Vermutungen und Ansätze. Zum Beispiel könnte ein Teil von ihr die sogenannten Braunen Zwerge sein. Das sind Körper mit Massen unterhalb von 0,1 Sonnenmassen. Durch ihre geringe Masse wird der Kern nicht heiß genug, um die Wasserstofffusion zu zünden. Es handelt sich also um ein Mittelding zwischen Stern und Planet. Da solche Braunen Zwerge kaum leuchten kann man sie nur in unmittelbarer Nähe zur Sonne nachweisen. Von diesen Braunen Zwergen könnte es daher unheimlich viele geben.

Auch Schwarze Löcher können einen gewissen Anteil zur dunklen Materie ausmachen, denn diese sind ebenfalls nicht sichtbar. Mit dem sogenannten MACHO-Experiment (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) hat man versucht, Schwarze Löcher zu finden und zwar mit Hilfe des sogenannten Mikrolinseneffektes. Zieht ein schwarzes Loch vor einem Stern vorbei, wirkt das Schwarze Loch wie eine Gravitationslinse und die Helligkeit des Sterns verändert sich kurz. Da diese Helligkeitsänderung eine ganz charakteristische Gestalt aufweist, kann man sie von anderen Störungen unterscheiden. Es müssen dazu nur viele Sterne überwacht werden und das hat man im Bereich der großen Magellanschen Wolke gemacht. Es wurden auf diesem Wege zwar einige Schwarze Löcher gefunden, aber ihr Anteil scheint viel zu gering zu sein, um den größten Teil der dunklen Materie auszumachen.

Dann gibt es die Möglichkeit, dass es sich bei der dunklen Materie nicht um normale Materie (also Atome, Protonen, Neutronen oder Elektronen) handelt, sondern um ganz exotische Teilchen, z. B. die sogenannten WIMP's (weakly interacting massive particles). Verschiedene Theorien fordern solche Teilchen wie WIMP's. WIMP's können normale Materie durchdringen und wechselwirken mit dieser kaum. Aber immerhin haben sie eine gewisse Masse die für die dunkle Materie verantwortlich sein kann. Es sind bereits Überlegungen in Gang, wie man WIMP's nachweisen könnte.

Dann gibt es auch Wissenschaftler die der Ansicht sind, dass sich das Gravitationsgesetz bei hohen Massen wie z. B. einer Galaxie eventuell anders verhalten könnte. Die Anhänger dieser Theorie modifizieren das Gravitationsgesetz, was auch eine Möglichkeit ist. Der Großteil der Wissenschaftler ist jedoch der Ansicht, dass die Annahme der dunklen Materie die Beobachtungen und Messungen am besten erklärt. Es gibt hier also noch sehr viel zu tun, und wann oder ob das Rätsel der dunklen Materie überhaupt einmal gelöst sein wird, kann heute niemand sagen.