Astrophysik Direkter Beweis für dunkle Materie entdeckt

Dunkle Materie macht rund ein Fünftel des Universums aus, vier Mal mehr als normale Materie. Doch die geheimnisvolle Substanz war nur in Theorien greifbar - bis jetzt. Erstmals haben Forscher einen direkten Beweis für die Existenz dunkler Materie gefunden.

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Spähen Himmelsforscher durch eine Teleskop, sehen sie vor allem eines: Normale Materie, die aus den bekannten Atomen besteht. Doch seit den dreißiger Jahren ist bekannt, dass das bei weitem nicht alles sein kann. Denn würde das Universum nur aus der sichtbaren Materie bestehen, könnte es in seiner jetzigen Form nicht existieren. Galaxien etwa würden schlicht auseinanderfliegen, weil die Anziehungskraft der Sterne nicht ausreichen würde, die schnell rotierenden Gebilde zusammenzuhalten.

Die sicht- und messbare Materie ist aktuellen Theorien zufolge nur die Schaumkrone auf einer viel größeren, mysteriösen Melange: dunkler Energie, die rund 75 Prozent des Universums ausmacht, und dunkler Materie, deren Anteil bei 20 Prozent der Gesamtmasse des Alls liegt. Nur der kleine Rest von rund fünf Prozent besteht demnach aus normaler Materie.

Es sei eine "etwas peinliche Situation" für Astronomen, wenn man für die Erklärung der Vorgänge im Universum eine geheimnisvolle Substanz benötige, die noch niemand direkt beobachtet habe, findet Douglas Clowe von der University of Arizona. Jetzt hat der US-Forscher gemeinsam mit Kollegen den seiner Meinung nach ersten direkten Beweis für die Existenz dunkler Materie vorgestellt.

Auseinandergerissen in gewaltiger Kollision

Die Beobachtungen der Wissenschaftler zufolge wurden normale und dunkle Materie bei der gigantischen Kollision zweier großer Galaxienhaufen auseinandergerissen - "das ist nach dem Urknall das energiereichste kosmische Ereignis", sagte Teammitglied Maxim Markevitch vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge.

In Galaxienhaufen kommt die normale Materie vor allem in der Form von Sternen und heißem Gas vor. Sie wird von einer weit größeren Masse aus dunkler Materie im Innern des Galaxienhaufens festgehalten. Ohne die Gravitation dieser unsichtbaren Substanz würden die schnell dahinrasenden Galaxien im Nu eigene Wege gehen.

Das Forscherteam hat mehr als 100 Stunden lang mit dem Chandra-Weltraumteleskop den Galaxienhaufen 1E0657-56 beobachtet. Er ist auch als "Bullet Cluster" bekannt, da er eine markante Wolke beinhaltet, die aus Hunderte Millionen Grad heißem Gas besteht und an eine Gewehrkugel erinnert. Die Röntgenbilder des Chandra-Teleskops zeigen den Forschern zufolge, dass die Form durch einen Wind verursacht wird, der durch die Hochgeschwindigkeits-Kollision eines kleineren mit dem größeren Galaxienhaufen entstanden ist.

Gas wird abgebremst, dunkle Materie nicht

Gleichzeitig benutzten die Wissenschaftler mehrere optische Teleskope, darunter das Hubble-Weltraumteleskop, um die Verteilung der Masse in den beiden Haufen zu bestimmen. Dies gelang mit Hilfe des sogenannten Gravitationslinsen-Effekts: Die Schwerkraft eines Himmelskörpers verzerrt das Licht von dahinter liegenden Objekten. Steht der Beobachter im richtigen Abstand zu beiden, wirkt das Objekt im Vordergrund wie eine Linse - ein Effekt, der von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde.

Das bei der Kollision der beiden Galaxienhaufen aufgewirbelte heiße Gas wurde den Forschern zufolge durch eine Kraft ähnlich dem Luftwiderstand abgebremst. Die dunkle Materie in beiden Haufen sei jedoch nicht aufgehalten worden, da sie - abgesehen von der gegenseitigen Anziehung - keine Wechselwirkung mit dem Gas eingehe ( siehe Fotostrecke). Deshalb, so die Wissenschaftler, seien dunkle und sichtbare Materie bei der Kollision auseinandergerissen worden.

"Das ist der erste direkte Beweis, dass dunkle Materie existieren muss", sagte Clowe. Es gibt zwar alternative Theorien, denen zufolge die Schwerkraft auf kosmische Entfernungen stärker wirkt als auf kleine Distanzen, und die deshalb ohne dunkle Materie auskommen. Doch diese Rechenmodelle könnten die Vorgänge im "Bullet Cluster" nicht erklären, meinen Clowe und seine Kollegen. "Wenn das heiße Gas die massereichste Komponente der Galaxienhaufen wäre, wie es die alternativen Theorien vorsehen, würden wir die Trennung von dunkler und normaler Materie nicht sehen."

Bestätigung von Einsteins und Newtons Theorien

Vorher hätten alle kosmologischen Modelle auf einer Annahme basiert, die nicht beweisbar gewesen sei: dass die Schwerkraft sich in kosmischen Maßstäben genauso verhält wie auf der Erde. Der größte Maßstab zur Messung der Gravitation sei derzeit unser Sonnensystem. "Die Galaxienhaufen, die wir beobachtet haben, sind eine Milliarde Mal größer", erklärt Clowe. Dennoch habe sich die Schwerkraft so verhalten, wie Einstein und Newton es vorhergesagt hätten.

Unabhängige Forscher betonten die Bedeutung der Studie, auch wenn sie sich vom Ergebnis wenig überrascht zeigten. Thomas Janka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching sprach von einem "sehr wichtigen Resultat". Nun sei offenbar bewiesen, dass es eine dunkle Materie "in der Tat geben muss" und keine neue Gravitationstheorie notwendig sei, um ihre Wirkung zu erklären.

Allerdings würden solche Theorien - etwa die der "Modifizierten Newtonschen Dynamik" - von den meisten seriösen Forschern ohnehin "als sehr gewagte und extreme Möglichkeit betrachtet", betonte Janka gegenüber SPIEGEL ONLINE. Denn die bisherige, experimentell gut bestätigte Gravitationstheorie aufzugeben, "erscheint sehr viel radikaler, als an die Existenz dunkler Materieteilchen zu glauben, für die es aus der Teilchenphysik zahlreiche Vorschläge und theoretische Konzepte gibt".

Auch Hermann Nicolai, Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, sieht Newtons und Einsteins Theorien durch die Arbeit der US-Forscher erwartungsgemäß gestärkt. Die eigentliche Frage über die dunkle Materie sei jedoch weiterhin offen: "Woraus sie besteht, bleibt das große Rätsel", so Nicolai.

Denn direkt beobachten können Wissenschaftler die geheimnisvolle Substanz noch immer nicht. Lediglich Hinweise auf einige physikalische Eckdaten der dunklen Materie wurden bisher gefunden. Clowe aber, dessen Team seine Ergebnisse demnächst im Fachblatt "Astrophysical Journal Letters" veröffentlicht, ist optimistisch: "Wir haben das Schlupfloch bei der Gravitation geschlossen, und wir sind kürzer denn je davor, diese unsichtbare Materie zu sehen."



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