Astrophysik Geister als Geburtshelfer

Im Supercomputer erzeugt ein deutscher Himmelsforscher künstliche Universen. Die Simulationen sollen helfen zu enthüllen, was sich hinter der rätselhaften Dunklen Materie verbirgt.

Volker Springel spielt gern Gott. Das Universum, das er erschaffen hat, hat die Form eines Würfels. Um die 20 Millionen Galaxien kreisen darin, und in jeder davon leuchten Milliarden von Sonnen.

Seine Schöpfung hat der Forscher, zusammen mit seinen Teamkollegen, in einem Supercomputer am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching entfacht. "Ein normaler PC", sagt Springel, 38, "hätte für diese hochkomplexe Simulation Jahrzehnte gebraucht."

Am Anfang ereignete sich in dem künstlichen Kosmos nur wenig Dramatisches. Gleichmäßig waberte die Materie im virtuellen Raum. Still ruhte der Teilchensee.

"Doch dann sorgten wir für kleine Störungen, wie sie den kosmologischen Theorien zufolge unmittelbar nach dem Urknall aufgetreten sind", erläutert der Astrophysiker. "Wir ließen das junge Universum gleichsam schwingen wie eine Glocke."

Den Rest erledigte die Gravitationskraft - Schritt für Schritt verklumpte die Materie zu Galaxien und Sternen.

Was im wirklichen Universum Jahrmilliarden gedauert hat, das schafft der Supercomputer innerhalb von Tagen. Alle drei Minuten wird der Kunst-Kosmos um eine Million Jahre älter. Aus den Zahlenkolonnen, die der Rechner produziert, entsteht auf dem Bildschirm schließlich ein Kunstwerk von filigraner Schönheit.

Im Zeitraffer verwandelt sich ein anfangs gleichförmiges, schaumartiges Gebilde in ein funkelndes Netzwerk, das an das Nervenzellgeflecht im menschlichen Gehirn erinnert. Überall in dem Netz erstrahlen winzige Perlen aus Licht.

"Jede davon entspricht einer Galaxie wie unserer Milchstraße", erläutert Springel. "Jeder Lichtpunkt steht also für mehrere hundert Milliarden Sterne."

Das myriadenfache Funkeln ist allerdings nicht das, was den Astrophysiker wirklich interessiert. Ihm geht es mit seiner Simulation vor allem darum, die Schattenseite des Kosmos auszuleuchten: Was steckt hinter der geheimnisvollen Dunklen Materie?

Schon lange fahnden die Forscher nach dieser unsichtbaren Rätselsubstanz. Obwohl noch nie ein Mensch sie gesehen hat, sind sich die Kosmologen sicher, dass gewaltige Mengen davon zwischen den Sternen existieren. Nach neuesten Schätzungen bestehen über 80 Prozent der Masse im All aus dem Dunkelstoff.

Ohne diesen kosmischen Kitt gäbe es keine stabilen Galaxien. Die Gravitationskraft der sichtbaren Materie allein wäre viel zu schwach, um die schnell rotierenden Sterneninseln beisammenzuhalten. Erst die allgegenwärtige Dunkle Materie verhindert, dass etwa die Sonnen der Milchstraße wie die Scheiben eines Diskuswerfers in alle Richtungen davonrasen.

Von Anfang an spielte die Dunkle Materie eine Hauptrolle auf der Himmelsbühne: Als eine Art Geburtshelfer sorgte sie dafür, dass sich das beim Urknall entstandene Gas immer weiter verdichtete und zu Protogalaxien zusammenballte - die Anziehungskraft der normalen sichtbaren Materie allein hätte nicht ausgereicht, um diesen Konzentrationsprozess in Gang zu bringen.

"Auch in unserer Simulation stellt die Dunkle Materie die wichtigste Zutat dar", sagt Springel, "alle gewöhnlichen Atome konnten wir getrost vernachlässigen."

Doch woraus besteht der Dunkelstoff? Die meisten Astrophysiker gehen inzwischen davon aus, dass es sich um exotische Elementarteilchen handelt, denen höchst wundersame Eigenschaften zugesprochen werden. Demnach senden sie von sich aus keine Strahlung aus und sind folglich unsichtbar. Die Geisterpartikel lassen sich so gut wie nie einfangen. Nichts hält sie auf, wenn sie durch die unendlichen Weiten flitzen; sie durchdringen mühelos Menschen, Berge und sogar Planeten.

Ein heißer Kandidat waren lange Zeit die Neutrinos, die zumindest schon experimentell nachgewiesen wurden. Von ihnen ist bekannt, dass sie in der Geburtsstunde des Kosmos in gigantischer Zahl entstanden sind. Auch bei den Fusionsprozessen, die im Innern von Sternen ablaufen, werden unvorstellbar viele dieser ultraleichten Partikel erzeugt.

Genauere Abschätzungen haben allerdings mittlerweile gezeigt, dass sich die Neutrinos viel zu schnell durchs All bewegen, als dass sie für eine ausreichende Verklumpung sorgen könnten. "Würde die Dunkle Materie überwiegend aus Neutrinos bestehen, hätten sich nur wenige Riesengalaxien bilden können", sagt Springel.

Rätselhafte Phantomgalaxien

Alles spricht dafür, dass sich hinter der Dunklen Materie noch unentdeckte Teilchen verbergen. Anders als Neutrinos sollen diese sogenannten Wimps ungeheuer schwer und eher träge sein.

Um diese Vermutung zu überprüfen, hat der Astrophysiker in seiner Computersimulation denn auch eine Sorte Dunkler Materie eingespeist, die genau solche Eigenschaften aufweist: massereiche, langsame Partikel, zwischen denen nur die Gravitationskraft wirkt. Springel: "Und herausgekommen ist dabei tatsächlich ein Universum, das unserem eigenen verblüffend nahe kommt."

Nur: Ist das schon ein Beweis für die Existenz der Wimps? Nicht ganz: Es gibt da einen Befund, der die Astrophysiker irritiert. In seiner jüngsten Kosmos-Simulation hat Springel einen kleineren Ausschnitt gewählt, um sich die vom Rechner erzeugten Galaxien einmal genauer anzusehen. Und diese Nahaufnahmen fördern überraschende Details zutage.

Auf den ersten Blick sehen die virtuellen Galaxien den echten erstaunlich ähnlich. Und doch gibt es einen entscheidenden Unterschied. Springel: "In unserer aktuellen Simulation führt die Verklumpung dazu, dass Galaxien von der Größe der Milchstraße stets von riesigen Schwärmen aus Minigalaxien umkreist werden."

Dabei gibt es bloß ein Problem: Im real existierenden Universum ist von derartigen Trabanten der Milchstraße nichts zu sehen.

Wurden die Phantomgalaxien bislang nur deshalb nicht entdeckt, weil in ihnen gar keine Sterne leuchten? Ist die Massedichte in ihnen einfach zu gering, um das Sternenfeuer zu entzünden? In diesem Fall handelt es sich bei ihnen lediglich um gigantische lichtlose Wolken aus Gas und Dunkler Materie.

Was aber, wenn diese Phantomgalaxien überhaupt nicht existieren? Dann steckt in den Gleichungen der Kosmologen vermutlich noch ein gravierender Fehler. Springel: "Vielleicht verbirgt sich hinter der Dunklen Materie doch etwas ganz anderes, als alle glauben."

Bereits in diesem Sommer will der Max-Planck-Forscher nun einen weiteren, noch spektakuläreren Versuch unternehmen, um die Geburt der Sterneninseln zu enträtseln.

"In unserer nächsten Computersimulation wollen wir sogar rund eine Milliarde Galaxien erzeugen, die bis zu zehn Milliarden Lichtjahre voneinander entfernt sind", sagt Springel. "Das entspricht fast dem gesamten sichtbaren Teil des Universums."

Möglich machen soll das ein neuer Supercomputer, in dem 8.000 Prozessoren parallel rechnen. Am Ende wird der Zahlenfresser über 60 Terabyte ausspucken - das wäre dann eine größere Datenmenge als in sämtlichen Büchern der amerikanischen Nationalbibliothek, der größten der Welt.

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