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Dunkle Materie im Universum: Was ist das eigentlich?

Forscher:innen jagen einen Stoff, von dem sie nicht mal wissen, ob es ihn gibt: dunkle Materie. Nach drei Jahren Umbauzeit ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt wieder an den Start gegangen, um das Rätsel zu lösen. Denn ohne dunkle Materie funktioniert Einsteins Relativitätstheorie nicht richtig - ein Graus für alle Physiker:innen.
Dunkle Materie im Universum: Was ist das eigentlich?
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Das Wichtigste zum Thema Dunkle Materie

  • Mit dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger machen sich Wissenschaftle:innen seit dem Sommer wieder auf die Jagd nach dem geheimnisvollsten Stoff der Welt: Dunkle Materie.

  • Der Large Hadron Collider lässt Atomkerne fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen. Dabei entstehen immer wieder kleinste, noch nie gesehene Teilchen. Physiker:innen hoffen damit auch die Bestandteile der dunklen Materie zu finden.

  • Physiker:innen stehen vor einem Rätsel: Es gibt offenbar nicht genug Sterne, um das Universum zusammenzuhalten. Das Defizit lässt sich an den mitunter größten Strukturen des Weltalls beobachten: Galaxien. Ihre Bewegungen im Weltraum passen nicht zu den Gesetzen der Schwerkraft.

  • Nach Messungen von Astronom:innen können wir mit unseren Instrumenten nur ein Sechstel der Materie sehen, die es im Universum gibt. Zu wenig, damit Theorien wie die allgemeine Relativitätstheorie von Superhirn Albert Einstein funktionieren.

  • Es ist die Mutter aller physikalischen Fragen: Wo ist all die Materie? Hat Einstein womöglich falsch gerechnet? Damit die Gleichungen aufgehen, nehmen Wissenschaftler:innen an, dass diese Materie existiert, wir sie aber nicht sehen.

Mit nahezu Lichtgeschwindigkeit: Jagd auf die dunkler Materie

CERN Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider

Statt nur danach zu suchen, wollen Wissenschaftler:innen dunkle Materie auch selbst erzeugen. Nach drei Jahren Umbau schießen Forschende in einem fast 30 Kilometer langen unterirdischen Ringtunnel des Large Hadron Collider in Genf Atomkerne aufeinander. Bisher erzeugte der Teilchenbeschleuniger schon Elementarteilchen, welche Physiker in den 1960er Jahren vorhersagten - aber bis heute noch keine dunkle Materie. Im Bild zu sehen ist nur der Detektor. Das 22 Meter breite Gerät wurde von der Universität Mainz mitgebaut und misst die Teilchen, die bei den Kollisionen entstehen.

Zu Besuch im Forschungszentrum Cern

Zu Besuch im Forschungszentrum Cern

Hier tummeln sich Wissenschaftler, Doktoren und vielleicht auch die Erfindungen der Zukunft? Unser Reporter ist 2016 in die Schweiz gereist, um das Forschungszentrum Cern zu besuchen.

Wie lässt sich dunkle Materie nachweisen?

  • 👨‍🦯

    Problem: Bisher gibt es keinen direkten Beweis für die Existenz dunkler Materie. Im Gegensatz zu herkömmlicher Materie sendet sie kein Licht aus und verschluckt auch keins. Sie lässt sich nur indirekt über die Effekte der Schwerkraft erkennen.

  • 🔦

    Wissenschaftler:innen suchen daher nach Teilchen, die sich zwar nicht wie sichtbare Materie verhalten, aber unter extremen Umständen womöglich aber mit "unserer Welt" interagieren.

  • ⚒️

    Achtung supersensibel: Damit kosmische Strahlung ihre empfindlichen Detektoren nicht stören, bauen Experimentalphysiker ihre Geräte gerne in ehemaligen Minen tief unter massiven Gebirgen auf.

  • Oder: Es gibt womöglich gar keine dunkle Materie. Stattdessen gibt es eine Lücke in der Relativitätstheorie. Heißt: Die Schwerkraft hat Eigenschaften, die wir noch nicht kennen.

Kunstgriff der Physik: theoretische Vorhersagen

Gravitationslinseneffekt

Notlösungen wie die "dunkle Materie" sind für Physiker:innen üblich. Sie hoffen dabei, dass Experimente ihre Ideen eines Tages bestätigen. Auch Einsteins Relativitätstheorie wurde später bewiesen, als sich zeigte, dass die Schwerkraft das Licht ablenkt. Das lässt sich unter anderem am Gravitationslinsen-Effekt sehen, bei dem Galaxien das Licht ferner Sternensysteme umlenken und verzerren, wie hier auf einem Bild von Hubble 2021.

Unbekannter Stoff: Woraus dunkle Materie bestehen könnte

  • 🥶

    Eine Idee der Wissenschaftler:innen: Dunkle Materie besteht aus eiskaltem Gas oder Staub, so dass die Detektoren von Teleskopen sie nicht erfassen können. Aber: Die Strahlung der Sterne hätte solche Wolken mit der Zeit unweigerlich aufgeheizt - sie wären daher längst sichtbar.

  • 🪐

    Es gibt Sterne, die im nicht-sichtbaren Licht leuchten. Allerdings gibt es von diesen "Braunen Zwerge" genannten Himmelskörper nicht genug, um die fehlende Schwerkraft zu verursachen.

  • 🍹

    Forscher:innen haben daher zahlreiche exotische Teilchen vorgeschlagen: Majorana-Fermionen, sterile Neutrinos und LSP-Neutralinos. Keines hat sich aber als zwingende Lösung erwiesen.

Warum dunkle Materie so wichtig fürs Universums ist

Dunkle Materie hat vermutlich auch den Kosmos mitgebaut. Das Universum ähnelt etwa einem Zimmer voller Spinnenweben. Statt Spinnenweben bilden allerdings unzählige Galaxiehaufen die Netze. Diese "Filamente" genannten Strukturen umgeben "Voids", gigantische, nahezu leere Räume von Hunderten Millionen Lichtjahren Durchmesser.

Struktur des Universums mit Voids und Filaments


Die kosmische Netzstruktur, allerdings nur als Illustration. Das Netz selbst, Filamente genannt, besteht aus Milliarden von Galaxien - und dunkler Materie.
© NASA, ESA, and E. Hallman (University of Colorado, Boulder)

Diese Voids genannten Räume sind zu groß, als dass Galaxien seit dem Urknall quer durch das Universum an ihre heutigen Orte geflogen sein könnten, glauben die Astrophysiker:innen. Daher müssen sie mehr oder weniger an Ort und Stelle entstanden sein.

Das Problem. Die sichtbare Materie war nach Ansicht vieler Wissenschaftler:innen zu gleichmäßig verteilt, um diese Spinnennetz-artige Struktur zu bilden. Ihr Lösungsvorschlag: Dunkle Materie hatte irgendwie die Hand am Netz!

Vergleich Realtität und Theorie: Dunkle Materie lässt Galaxien schneller rotieren

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Auffällige Galaxien: zu viel Speed und zu wenig Masse

  • 👴

    Akte Dunkle Materie ungelöst: Das Problem beschäftigt die Astrophysik schon seit den 1930er Jahren.

  • 🤹🏻

    Damals machte sich der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort die Mühe, Sterne, Staub und Gaswolken einer Galaxie zu messen.

  • 🌌

    Ergebnis: Die Masse im Zentrum von Galaxien passte nicht zu der Geschwindigkeit, mit der sich die Spiralarme um das Zentrum drehte. Sie waren zu schnell.

  • ⚖️

    Hintergrund: Die Masse in einem Galaxiezentrum muss im Gleichgewicht mit der Umlaufgeschwindigkeit ihrer äußeren Sterne stehen. Sonst würden sie entweder von der Schwerkraft angezogen Richtung Mitte stürzen oder aus der Galaxie herausgeschleudert werden.

  • Déjà-vu: Den gleichen Fehler erkannten Astronom:innen bei Ansammlungen tausender Galaxien. Die zusammengezählte Masse rotierender Galaxiehaufen reicht nicht aus, um sie zusammenzuhalten.

Dunkle Materie als Kunstprojekt

Dunkle Materie ist sogar schon zur Kunst geworden. Der niederländische Künstler Thijs Biersteker hat 2020 im irischen Dublin in einer Installation aus beweglichen Linsen und Lichtreflexen versucht, dunkle Materie "sichtbar" zu machen. Für Wissenschaftler ist das allerdings höchstens nett anzuschauen.

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Intelligenz
Veröffentlicht: 09.11.2022 / Autor: Peter Schneider