Buch lesen: "Das Universum, Teil 2"

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Fachbereich ASTROPHYSIK

Das Universum – Dunkle Kräfte und Energien

Von Prof. Dr. Harald Lesch

Die Dunkle Materie

Astronomen sind Lichtdeuter. Sie bekommen Licht vom Himmel, von den Objekten des Himmels und deuten dieses Licht. Sie fangen es mit ihren Fernrohren oder Teleskopen ein, zerlegen es in einem Spektralapparat und versuchen herauszufinden: Woher kommt das Licht, und was sagt es uns? Von welchen Atomen ist das Licht ausgesandt worden? Sind es die Atome von Wasserstoff oder sind es vielleicht die von Eisen gewesen? Bewegt sich die Lichtquelle? Bewegt sie sich auf uns zu oder von uns fort? Ist also Strahlung in ihrer spektralen Eigenschaft verschoben? Ist die Spektrallinie gar nicht da, wo sie eigentlich sein sollte? Sondern ist sie vielleicht ins Blaue verschoben? Dann bewegt sich die Lichtquelle auf uns zu. Ist die Spektrallinie ins Rote verschoben? Dann bewegt sich die Quelle von uns weg. Das ist genau das, was Astronomen machen: Licht deuten.

Die Astronomen lesen aus dem Licht heraus, was Materie macht. Naturgemäß leuchten Materien.

Denn nur leuchtende Materie produziert Licht. Es gibt aber eine Form von Materie, die ist dunkel, die produziert kein Licht. Die absorbiert auch kein Licht, sie gibt weder Licht ab, noch nimmt sie Licht auf. Sie wirkt überhaupt nicht mit Licht, ganz und gar nicht.

Diese Dunkle Materie ist eines der großen Geheimnisse des Universums. Es gibt ungefähr zehnmal mehr Dunkle Materie, als leuchtende Materie.

Was wir am Himmel sehen, selbst mit unseren empfindlichsten Teleskopen, ist letztlich nur die Spitze des Eisberges. Die wirkliche Masse, die es im Universum gibt, von der gesamten Materienmenge sehen wir nur einen winzigen Anteil, der bei etwa fünf Prozent liegt.

Die Dunkle Materie zeigt sich allerdings auch, denn sonst würde ich nicht darüber reden können, das ist doch klar. Sie zeigt sich durch ihre Wirkung. Dunkle Materie wirkt.

Materie wirkt durch ihre Schwerkraft, durch die Massenkraft, die Kraft, die Massen aufeinander aus-üben. Und genau so hat man sie auch entdeckt. Man hat gemerkt, dass sich die Bewegungsmuster der leuchtenden Materie nicht mit den Massen erklären lassen, die in der leuchtenden Materie stecken.

Ein ganz einfaches Beispiel: Im Sonnensystem ist die Sonne die dominante Masse. Die Planeten bewegen sich um die Sonne herum, weil die Gravitation der Sonne dominiert und die Planeten träge sind. Eigentlich wollen sie ja von der Sonne weg. Aber die Bilanz dieser beiden Kräfte, nämlich Trägheit in die eine Richtung, Gravitation hin zur Sonne, führt dazu, dass die Planeten sich um die Sonne herum bewegen. Hier ist ein ganz klares Verhältnis, die Sonne dominiert. Deswegen bewegen sich die Planeten gemäß der Kepler-Rotation. Je weiter ein Planet von der Sonne entfernt ist, umso langsamer ist seine Geschwindigkeit. Ganz einfach.

Stellen wir uns jetzt eine Spiralgalaxie, eine schöne Scheibengalaxie vor. Die sichtbare Masse der Galaxie ist vielleicht in einem Bereich, wo wir sie noch sehen können. Jetzt beobachten wir eine Gaswolke ganz am Rande der Galaxie. Was würden wir denn erwarten? Da hier die Masse in der Galaxie konzentriert ist, würden wir erwarten, je weiter die Gaswolke von der Galaxie entfernt ist, umso kleiner wird ihre Rotationsgeschwindigkeit. Die Gaswolke hier draußen müsste sich eigentlich so verhalten wie die Planeten im Sonnensystem. Das ist aber nicht der Fall.

Die erwartete niedrige Geschwindigkeit da draußen, die wurde nicht gemessen. Es wurde eine viel höhere Geschwindigkeit gemessen. Eine so hohe Geschwindigkeit, dass man annehmen muss, dass um die sichtbare Galaxie herum ein riesengroßer „Halo“, wie wir Astonomen sagen, also eine Umgebung aus Dunkler Materie existieren muss.

Also nicht das, was wir an Galaxienbildern so sehen. Nicht die Spiralgalaxien, die es so gibt, oder Balkengalaxien, das sind gar nicht die wirklichen Massen, die in den Galaxien stecken. Es gibt um die Galaxien herum ein riesiges Reservat an Dunkler Materie. Und diese Dunkle Materie wirkt aufgrund ihrer Masse auf die Massen der Galaxien beschleunigend. Deswegen drehen die sich da draußen viel schneller, als sie es eigentlich tun dürften, wenn man nur die leuchtende Materie nähme. Das ist nicht ganz einfach.

Nehmen wir ein anderes Beispiel: heißes Gas. Die Teilchen in dem Gas haben eine hohe kinetische Energie und hohe Bewegungsenergie. Eigentlich ist es komisch, dass um Galaxien - große elliptische Galaxien, also große Kugeln - riesige Gebiete existieren, in denen man heißes Gas beobachtet hat.

Aber dieses heiße Gas produziert kein Licht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, sondern Röntgenstrahlung. Sie ist Millionen Grad heiß, teilweise 60 Millionen Grad, also richtig heiß.

Jetzt kann man Folgendes überlegen: Da steht diese elliptische Galaxie und um diese elliptische Galaxie herum das heiße Gas. Wieso ist das nicht schon längst verschwunden? 60 Millionen Grad, das ist doch viel zu heiß. Wie kann die Galaxie das halten? Sie muss sehr viel Masse haben, damit die Schwerkraft dieses heiße Gas halten kann.

Jetzt kann man die Sterne in der Galaxie zählen und damit die Masse der Galaxie bestimmen. Man kennt jetzt also die sichtbare Masse der Galaxie und stellt fest: Komisch, in der Galaxie ist weniger Masse als in dem heißen Gas. Irgendetwas stimmt hier nicht. Man würde doch erwarten, die Galaxie hält das heiße Gas um sicher herum fest, weil die Schwerkraft so groß ist. Deswegen konnte das Gas nicht verschwinden.

Aber es geht hier auch wie der nur mit Dunkler Materie. Das was das ganze Gebilde zusammen hält, also die Galaxie mit ihrem heißen Röntgen Halo, ist Dunkle Materie. Und davon gibt es mindestens zehnmal mehr im Universum, als es Leuchtmaterie gibt.

Jetzt kommt noch das Hammer-Beispiel. Das ist Theorie in Beobachtung umgesetzt. Schöner kann man es kaum machen. Es geht um Einstein und die Sache mit dem gekrümmten Raum.

Masse krümmt den Raum. Da wo Masse ist, ist der Raum gekrümmt. Auf der anderen Seite schreibt die Krümmung des Raumes den Massen vor, wie sie sich zu bewegen haben. Die Krümmung des Raumes ist auch die Oberfläche, auf der sich das Licht bewegt. Ein Lichtstrahl, der an einer Masse vorbeizieht, wird in seiner Richtung etwas verändert. Er wird gekrümmt, wie es so schön heißt.

Jetzt kommt das Verfahren schlechthin, wie man Materie nachweisen kann, die gar nicht leuchtet, aber schwer ist: Mit dem Verfahren der Gravitationslinse.

Dazu folgendes, einfaches Experiment:

Man hat irgendwo weit weg, ganz weit weg im Universum eine Galaxie, eine schöne, leuchtende Galaxie, mindestens eine, vielleicht auch ein paar mehr, man kann auch einen Galaxien-Haufen nehmen, egal. Hauptsache, es ist weit weg. Jetzt schaut man sich die Bilder an, die ein Teleskop von einem solchen Galaxien-Haufen aufnimmt.

Da gibt es immer wieder mal Galaxienhaufen, die zeigen so merkwürdige ringartige Strukturen. Und wenn man ganz genau hinsieht, also die Spektren des Lichtes der Galaxien untersucht, stellt man fest: Komisch, manche dieser Spektren sind völlig identisch. Die Bilder am Himmel sind anders, aber die Spektren sind identisch. Das ist dann ein Zeichen, bei dem der Astronom fragt: Na, das wird doch keine Gravitationslinse sein?

Dass nämlich unter Umständen das Abbild einer Galaxie am Himmel noch mal erscheint, weil der Raum durch Dunkle Materie, derart gekrümmt worden ist, dass die Lichtwege eben nicht mehr parallel, sondern dass sie gebogen sind und auf diese Art und Weise, wie mit einer schlechten Lupe verzerrte Bilder entstehen: Doppelbilder, Dreifachbilder, Vierfachbilder.

Wir Astronomen sind ja in der schönen Lage, dass die Objekte unserer Begierde nicht manipulierbar sind. Wir machen in diesem Sinne also keine Experimente. Das Experiment in der Astronomie ist sozusagen die Beobachtung. Und diese Gravitationslinsen-Experimente erlauben uns die Darstellung von Massenprofilen im Universum, weil man praktisch aus den Bildern, aus den verzerrten Bildern der Galaxien ableiten kann, welche Massen zwischen uns und diesen verzerrten Objekten, also nicht den Objekten selbst, sondern den Bildern dieser Objekte liegen, damit genau solche Abbildungsverzerrungen überhaupt zustande kommen? Ist das klar?

Also noch mal. Wenn Sie eine Landkarte anschauen, und Sie haben irgend eine Lupe, keine besonders gute, dann wird je nach dem, wie Sie die Lupe über die Karte halten, die Abbildung dieser Landkarte da sein, mal größer, mal kleiner. An den Rändern dieser Lupe sehen sie Verzerrungen. Das sind letztlich Beugungsmuster, weil die Lichtstrahlen nicht völlig parallel zu ihrem Raum kommen. So kann man praktisch aus den Verzerrungen auf die Eigenschaften der Lupe schließen. Nur besteht die Lupe beim Blick ins Universum nicht aus Glas, sondern aus Dunkler Materie.