Wenn Sie in einer klaren, wolkenlosen Nacht in den Himmel schauen, sehen Sie Tausende von hellen Sternen, die in der Schwärze des Weltraums funkeln. Wenn Sie ein Teleskop haben, können Sie auch Planeten, bunte Nebel und sogar ferne Galaxien beobachten. Beim Anblick dieser erstaunlichen Szenerie könnten Sie denken, dass Sie das gesamte Universum betrachten. Aber die Wahrheit ist viel seltsamer. Alles, was wir sehen, kennen und woraus wir bestehen (einschließlich Sterne, Planeten, Bäume, der menschliche Körper und sogar das Smartphone in Ihrer Hand), macht nur etwa 5 Prozent des gesamten Inhalts des Universums aus.

Woraus besteht also der Rest des Universums? Kosmologen gehen davon aus, dass etwa 27 Prozent des Universums aus einer mysteriösen, unsichtbaren und unbekannten Substanz namens „Dunkle Materie“ (Dark Matter) bestehen (die restlichen 68 Prozent gehören zu einem noch seltsameren Phänomen namens „Dunkle Energie“, das für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich ist). Dunkle Materie interagiert weder mit Licht noch mit gewöhnlicher Materie, aber ohne sie wäre das Universum, wie wir es heute kennen, niemals entstanden.

Das galaktische Karussell und eine seltsame Entdeckung Um zu verstehen, wie Wissenschaftler auf die Existenz von etwas kamen, das überhaupt nicht gesehen werden kann, müssen wir in die 1970er Jahre zurückgehen. Eine herausragende Astronomin namens Vera Rubin untersuchte die Rotation von Spiralgalaxien (ähnlich unserer eigenen Milchstraße).

Die Gesetze der Newtonschen Physik, die wir auf der Erde kennen, besagen, dass die Rotationsgeschwindigkeit von Objekten abnehmen sollte, je weiter man sich vom Zentrum eines rotierenden Systems (wie dem Sonnensystem) entfernt. Zum Beispiel rotiert der sonnennahe Planet Merkur mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, während der weit entfernte Planet Neptun eine viel langsamere Bewegung hat. Vera Rubin erwartete, das gleiche Gesetz in Galaxien zu sehen: Sterne an den äußeren Rändern der Galaxie sollten viel langsamer rotieren als Sterne nahe dem galaktischen Zentrum.

Aber was sie beobachtete, schockierte die Welt der Physik. Die Sterne am Rand der Galaxie rotierten mit derselben rasanten Geschwindigkeit wie die zentralen Sterne. Bei einer solchen Geschwindigkeit reichte die Schwerkraft der sichtbaren Materie (Sterne und Gase innerhalb der Galaxie) nicht aus, um diese Sterne zusammenzuhalten. Die Galaxien hätten wie ein zu schnell drehendes Karussell auseinanderfallen und ihre Sterne in den unendlichen Raum geschleudert werden müssen. Aber das passierte nicht. Etwas Unsichtbares hielt diese Galaxien mit seiner enorm starken Anziehungskraft zusammen. Dieser „unsichtbare Klebstoff“ ist das, was wir heute Dunkle Materie nennen.

 

Was ist Dunkle Materie nicht? Manchmal ist es besser, um ein großes Rätsel zu verstehen, zuerst zu sagen, was es nicht ist. Durch jahrzehntelange Forschung haben Wissenschaftler viele Optionen von der Liste gestrichen:

 

Wenn sie unsichtbar ist, woher wissen wir dann, dass sie existiert? Vielleicht fragen Sie sich: Wenn wir mit keinem Teleskop (optisch, infrarot, Röntgen oder Radio) etwas sehen können, warum sind sich Wissenschaftler ihrer Existenz so sicher? Die Antwort liegt in Albert Einsteins Meisterwerk, der „Allgemeinen Relativitätstheorie“.

Einstein bewies, dass Masse die Raumzeit krümmen kann. Wenn Licht an einem sehr massereichen Objekt vorbeizieht, wird sein Weg gekrümmt. Dieses Phänomen wird „Gravitationslinse“ genannt. Bei der Beobachtung weit entfernter Galaxienhaufen stellten Astronomen fest, dass das Licht der Galaxien hinter diesen Haufen stark gekrümmt, gestreckt und verzerrt war (wie wenn man durch ein Glas Wasser auf die Umgebung schaut).

Durch die Berechnung des Ausmaßes dieser Krümmung konnten Wissenschaftler genau berechnen, wie viel Masse in diesem Galaxienhaufen vorhanden sein muss, um eine so starke Linse zu erzeugen. Das Ergebnis war verblüffend! Die tatsächliche Masse des Galaxienhaufens war dutzende Male größer als die Masse, die aus seinen Sternen und leuchtenden Gasen berechnet wurde. Diese unsichtbare und gewaltige Masse ist genau jene „Dunkle Materie“.

Die Bedeutung der Dunklen Materie beschränkt sich nicht nur darauf, Galaxien zusammenzuhalten; Dunkle Materie hat tatsächlich die Architektur des gesamten Universums geprägt. Kurz nach dem Urknall war das Universum eine sehr heiße und relativ gleichmäßige Suppe aus Teilchen. Aber in dieser Gleichmäßigkeit gab es kleine Quantenfluktuationen. Hier spielte die Dunkle Materie die Rolle des Helden. Da Dunkle Materie nicht mit Licht und der intensiven Strahlung jener Zeit interagierte, konnte sie viel früher kondensieren als gewöhnliche Materie.

Durch ihre Schwerkraft bildete die Dunkle Materie riesige Massen, die als Gerüst oder Skelett für das Universum fungierten. Dieses Gerüst bildete ein riesiges Netzwerk namens „Kosmisches Netz“ (Cosmic Web). Dann zog die Schwerkraft dieser unsichtbaren Skelette gewöhnliche Materie (Wasserstoff- und Heliumgase) an. Diese Gase kondensierten, erhitzten sich und brachten die ersten Sterne und schließlich Galaxien hervor. Ohne Dunkle Materie wäre unser Universum heute nur ein Raum voller dünnem, verstreutem Gas, und es gäbe weder Sterne, noch Planeten oder Menschen darin.

 

Teilchen, die die Wissenschaft noch nicht gefunden hat. Wenn Dunkle Materie existiert, aus welchen Teilchen besteht sie dann? Teilchenphysiker haben mehrere mögliche Kandidaten dafür vorgeschlagen, von denen zwei die besten Chancen haben:

 

Eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern glaubt jedoch, dass es vielleicht gar kein neues Teilchen gibt. Sie schlagen eine Theorie namens MOND (Modifizierte Newtonsche Dynamik) vor, die besagt, dass auf sehr großen galaktischen Skalen die Gravitationsgesetze von Newton und Einstein möglicherweise geändert und modifiziert werden müssen. Bisher konnte die MOND-Theorie jedoch nicht alle kosmischen Phänomene (insbesondere das Muster der kosmischen Hintergrundstrahlung) so gut erklären wie die Theorie der Dunklen Materie.

Vielleicht fragen Sie sich, was es uns auf der Erde bringt, eine Materie zu verstehen, die unsichtbar ist und sich in fernen Galaxien befindet? Und warum ist dieses Thema für die Menschheit wichtig?

Bedenken Sie, dass die Wissenschaft immer danach gestrebt hat, die Wahrheit zu entdecken. Einhundert Jahre vor dem Schreiben dieses Artikels, als Wissenschaftler die Struktur des Atoms und die Quantenmechanik entdeckten, hätte sich niemand vorstellen können, dass diese Forschung eines Tages zur Erfindung von Transistoren, Computern, dem Internet und Smartphones führen würde. Dunkle Materie ist das größte wissenschaftliche Rätsel des 21. Jahrhunderts. Die Entdeckung der Natur dieser Materie wird höchstwahrscheinlich die Formulierung völlig neuer physikalischer Gesetze erfordern; Gesetze, die unser Verständnis der Realität der Existenz verändern und in ferner Zukunft möglicherweise Technologien hervorbringen könnten, die wir uns heute nicht einmal in Science-Fiction-Geschichten vorstellen können.

Dunkle Materie erinnert uns daran, wie geheimnisvoll und riesig unser Universum ist und dass wir erst am Anfang stehen, unsere kosmische Heimat zu verstehen. Wir kreisen auf einem kleinen felsigen Planeten um einen gewöhnlichen Stern und haben gerade erst erkannt, dass 95 Prozent des Schauspiels der Existenz von Akteuren aufgeführt werden, deren Gesichter wir noch nicht gesehen haben.