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"Durchbruch des Jahres"

Dunkle Materie erleuchtet Astronomen

Von Alexander Stirn

Gerade einmal vier Prozent des Universums bestehen aus Materie, wie wir sie kennen. Dem Rest, der alles dominierenden dunklen Materie, haben Astrophysiker lange Zeit die Existenz abgesprochen. Doch Ende 2003 quält sie eine ganz andere Frage: Wie setzt sich die mysteriöse Materie zusammen?

Die dunkle Seite ist übermächtig: Sterne, Planeten, Menschen - die sichtbaren Strukturen machen nur einen kleinen Teil des Universums aus. Über 90 Prozent des Weltalls, davon sind Kosmologen mittlerweile überzeugt, werden dagegen von dunkler Materie und Energie beherrscht, einer Kraft, die Forscher zwar erahnen, mit ihrem bisherigen Wissen aber weder direkt beobachten noch erklären können.

Gleich mehreren Astronomenteams ist es dieses Jahr jedoch gelungen, etwas Licht ins Dunkel der Materie zu bringen. Angesichts der finsteren Übermacht vielleicht nicht mehr als der fahle Schein einer Taschenlampe, aber auf jeden Fall genug für eine heiß begehrte Auszeichnung: Das US-Wissenschaftsmagazin "Science" hat die Fortschritte rund um die Erforschung der dunklen Materie zu dem wissenschaftlichen Durchbruch des zu Ende gehenden Jahres gewählt.

"Die Folgen dieser neuen Entdeckungen sind atemberaubend", sagt "Science"-Chefredakteur Don Kennedy. "Seit Jahren haben Kosmologen versucht, die Hypothese eines dunklen Universums zu bestätigen."

Rasante Ausdehnung

Angefangen hat alles 1998: Damals mussten Astronomen, als sie sterbende Sterne über längere Zeit beobachteten, zu ihrem Erstaunen feststellen, dass sich das Universum mit immer höherer Geschwindigkeit ausdehnt. Nach den Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie müsste dieses Tempo aber kontinuierlich abnehmen.

Die Entdeckung, damals ebenfalls als "wissenschaftlicher Durchbruch" in "Science" ausgezeichnet, deutete erstmals auf die Existenz einer unbekannten Energie hin. Die wirkt offensichtlich den Effekten der Anziehungskraft entgegen und treibt das Universum auseinander.

Viele Forscher reagierten zunächst skeptisch und konnten sich mit dem Gedanken an eine mysteriöse Materie nicht anfreunden. Das dürfte sich spätestens dieses Jahr geändert haben: Im Februar haben Wissenschaftler das mit Abstand beste Babybild des Universums veröffentlicht. Die Aufnahme der Raumsonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) zeigt, wie ungleich die kosmische Hintergrundstrahlung verteilt ist - jenes Licht aus den ganz jungen Jahren des Weltalls.

Grell leuchtender Plasmaball

Damals, gerade einmal 400.000 Jahre nach dem Urknall, war von Sternen oder Galaxien noch nichts zu sehen. Das neugeborene Universum präsentierte sich als grell leuchtender Plasmaball. Doch kleine Dichte- und Temperaturschwankungen waren bereits zu erkennen. Was später zu den ersten Nebeln, Sternen und Galaxien führte, hat sich tief in die kosmische Hintergrundstrahlung eingebrannt - und berichtet heute über die Zusammensetzung und Entwicklung des Universums.

Vor allem aber zeigt es, welch dunkle Kräfte in den vergangenen 13 Milliarden Jahre am Werk gewesen sein müssen: Mit Hilfe ihrer Daten berechneten die WMAP-Forscher, dass sich das Universum nur zu vier Prozent aus bekannter Materie zusammensetzt - vom Stern bis zum Staubkorn. 23 Prozent macht dagegen die dunkle Materie aus, Teilchen, über deren Struktur die Forscher nach wie vor grübeln. Der größte Teil, 73 Prozent, existiert in Form dunkler Energie. Die unbekannte Energieform ist für die herrschenden Kräfteverhältnisse im Universum verantwortlich.

Verschoben und verraten

Unterstützung bekamen die WMAP-Forscher dieses Jahr vom Sloan Digital Sky Survey (SDSS), der sich das Ziel gesetzt hat, eine Million Galaxien kartographisch zu erfassen. Ein Viertel davon ist geschafft, und bereits jetzt zeigt die Verteilung der Galaxien, deren Abstände und Anhäufungen, dass eine bislang unbekannte Anziehungskraft am Werk sein muss.

Gemeinsam sind die beiden Erkenntnisse sogar noch überzeugender: Im Juli kombinierten Physiker die Aufnahmen der Hintergrundstrahlung mit den Galaxien-Karten des Sloan Digital Sky Survey. Dabei zeigte sich, dass das Licht aus den jungen Jahren des Universums in der Nähe großer Galaxienhaufen leicht in Richtung kürzerer Wellenlängen verschoben wird. Das jedoch kann nur passieren, wenn unterwegs Kräfte auftreten, die der bekannten Gravitation entgegenwirken - ein weiterer deutlicher Hinweis auf die Existenz dunkler Materie.

Die Frage, die sich Astrophysiker nun stellen, lautet nicht mehr, ob es dunkle Materie gibt - sondern wie sie sich zusammensetzt. Ideen kursieren viele: Neben Neutrinos werden auch immer wieder schwach wechselwirkende, aber massive Teilchen (so genannte Wimps) ins Spiel gebracht, über deren Existenz Teilchenphysiker schon länger spekulieren. Möglicherweise hat die mysteriöse Materie aber auch eine Form, an die Wissenschaftler noch gar nicht denken.

Zudem werden sich die Forscher in Zukunft vermehrt um die Auswirkungen der dunklen Kräfte kümmern müssen. Erste Hypothesen, die ebenfalls dieses Jahr aufgetaucht sind, verheißen nichts Gutes: Demnach zieht die dunkle Energie das Weltall in Zukunft immer schneller auseinander, bis es schließlich zum "Big Rip", dem großen Riss kommt.

Erst zerreißt es die Galaxien, dann die Sterne, zum Schluss die einzelnen Atome. Etwas Zeit bleibt den Kosmologen allerdings noch, um den Schuldigen am Ende der Welt besser zu verstehen: Mit dem "Big Rip", sollte er denn überhaupt kommen, rechnen Experten frühestens in 22 Milliarden Jahren.