Missing Link: Das Rätsel Dunkle Materie – der unsichtbare Elefant der Kosmologie
Noch immer gibt es keine direkten Beobachtungen der sogenannten Dunklen Materie. Warum wir trotzdem wissen, dass es sie geben muss – und zwar sehr viel davon.
Invertierte Aufnahme der Andromeda-Galaxie
(Bild: Keesscherer, CC BY-SA 4.0)
Wie groß ist das Universum? Woraus besteht es? Wie ist es entstanden und wie wurde es so, wie wir es heute kennen? Mit diesen Themen beschäftigt sich die Kosmologie, die Lehre von der Entstehung und Entwicklung des Universums. Sie ist derzeit eine der spannendsten Disziplinen der Naturwissenschaft, und sie spannt einen Bogen von der Physik des Allerkleinsten zu den größten Strukturen, die wir kennen. Die neue Artikelreihe skizziert den derzeitigen Stand des Wissens und legt dar, warum die große Mehrheit der Kosmologen scheinbar so absurden Ideen anhängt wie von leerem Raum mit abstoßender Gravitation, der Entstehung des Universums aus dem Nichts und dem unsichtbaren Stoff, aus dem 95 Prozent des Universums bestehen. In den ersten drei Teilen wird es um die Dunkle Materie gehen – den unsichtbaren Elefanten der Kosmologie.
Die Entdeckung des kosmischen Schaums
Wenn man in einer klaren, mondlosen Nacht an einem dunklen Ort zum Himmel schaut, findet man ein matt leuchtendes Band, welches den gesamten Himmel umspannt: quer durch das Sternbild des Schützen, das berühmte Sommerdreieck aus Adler, Leier und Schwan, die Kassiopeia, die Zwillinge bis hinunter zum Orion, und der Kreis schließt sich am für unsere Breiten ganzjährig unsichtbaren Südhimmel über das Schiff und das Kreuz des Südens wieder bis zum Schützen. Dies ist die Milchstraße, unsere Heimatgalaxie, die ungefähr die Form eines Diskus mit flachem Außenbereich und einem verdickten, zeppelinförmigen Zentralbereich hat (es handelt sich um eine Balken-Spiralgalaxie).
Sie durchmisst etwa 185.000 Lichtjahre, enthält mehrere hundert Milliarden von Sternen und mindestens ebenso viele Planeten. Von oben besehen zeigt sie 4 spiralförmig nach außen führende Arme, die aufgrund junger, blauer Sterne aus der ansonsten gleichmäßig mit Sternen besetzten Scheibe hervortreten. Unsere Sonne befindet sich am inneren Rand eines Spiralarms auf der halben Strecke vom Zentrum nach außen. Majestätisch dreht sie sich langsam um sich selbst; die Sonne benötigt 240 Millionen Jahre für einen Umlauf. Vor der letzten Umrundung entstanden bei uns gerade die ersten Dinosaurier. Eine Welteninsel, wie sie zu hunderten Milliarden das beobachtbare Universum bevölkern. Doch diese sind offenbar nur der Schaum auf den Wellen eines viel mächtigeren Ozeans.
Unsere Vorstellung vom Weltall sah vor 100 Jahren noch völlig anders aus: bis in die 1920er Jahre hinein ging einer großer Teil der Astronomen davon aus, dass die Milchstraße das gesamte Universum bilde und dass die zahlreichen kleinen, oft spiralförmigen Nebelwölkchen am Himmel wie etwa der Große Nebel im Sternbild Andromeda nur Gaswolken innerhalb der Milchstraße seien - ansonsten müssten sie zum Teil Millionen von Lichtjahren entfernt sein, was vielen vollkommen abwegig erschien. Andere vertraten die Ansicht, dass es sich um Galaxien wie die Milchstraße handele und das Weltall weitaus größer als vermutet sei.
Als zunehmend größere Teleskope wie das 2,5m-Hooker-Teleskop auf dem Mount Wilson es erlaubten, den Andromedanebel in Einzelsterne aufzulösen, konnte im Laufe der 1920er Jahre der als "Große Debatte" bezeichnete Disput unter den Kosmologen schließlich entschieden werden: Edwin Hubble gelang es, anhand eines bestimmten Typs von veränderlichen Sternen, deren periodische Pulsationsdauer auf ihre Leuchtkraft rückschließen ließ, die Entfernung des Andromedanebels erstmals zu bestimmen. Denn aus einer gegebenen Leuchtkraft folgt für jede Entfernung eine eindeutige Helligkeit. Er kam auf 900.000 Lichtjahre, denn die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden-Sterne war noch nicht hinreichend kalibriert; heute wissen wir, das es 2,5 Millionen Lichtjahre sind. Aber ein Ergebnis in der richtigen Größenordnung war ein riesengroßer Erkenntnissprung, der die Milchstraße vom Rang der Verkörperung des gesamten Universums zu einem Staubkorn im selbigen degradierte.
