Dunkle Materie: Die fehlende Masse des Universums, benannt 1906

Im Lambda-CDM-Modell, das Kosmologen derzeit zur Beschreibung des Universums verwenden, macht die gewöhnliche Materie – die Atome, aus denen Sterne, Planeten und Menschen bestehen – nur 5 Prozent von allem aus, was existiert. Dunkle Materie, eine Form von Masse, die noch nie jemand direkt nachgewiesen hat, kommt auf 26,8 Prozent, mehr als das Fünffache, während die restlichen 68,2 Prozent auf dunkle Energie entfallen, ein weiteres Rätsel, das dieser Artikel nur am Rande behandelt.

Niemand hat je ein Teilchen der Dunklen Materie isoliert, fotografiert oder genau erklärt, woraus es besteht. Was Wissenschaftler überhaupt davon überzeugt hat, dass sie existiert, sind rund hundert Jahre indirekter Hinweise: Galaxien, die sich schneller drehen, als sie sollten, Galaxienhaufen, die weit mehr Schwerkraft aufweisen, als ihre sichtbare Materie liefern kann, und Licht, das sich um Massenklumpen krümmt, die selbst kein Licht abgeben. Dieser Artikel geht der Reihe nach durch, woher jeder dieser Hinweise stammt – in der Reihenfolge, in der Astronomen sie tatsächlich entdeckten.

Der Begriff selbst ist älter als die meisten Beweise dafür. 1906 verwendete der französische Mathematiker und Physiker Henri Poincaré den Ausdruck matière obscure – wörtlich „dunkle Materie" – als er eine frühere Schätzung von Lord Kelvin diskutierte, der vermutet hatte, dass viele der zahllosen Sterne in der Nähe der Sonne dunkle, nicht leuchtende Körper sein könnten statt strahlende. Poincarés Essay erschien Jahrzehnte vor Fritz Zwickys Haufenmessungen oder Vera Rubins Galaxienstudien: Astronomen hatten ein Wort für das Rätsel, lange bevor sie einen Beweis dafür hatten.

Die ersten harten Daten stammten von Vesto Slipher, der 1914 ein Teleskop auf die Andromeda-Galaxie richtete und damit die ersten Messungen vornahm, die mit dem verbunden sind, was Astronomen heute als Galaxien-Rotationskurve bezeichnen – wie sich die Umlaufgeschwindigkeit mit der Entfernung vom Zentrum einer Galaxie ändert.

Slipher stellte etwas Merkwürdiges fest: Sterne auf einer Seite der zentralen Ausbuchtung von Andromeda näherten sich der Erde mit etwa 320 Kilometern pro Sekunde, während Sterne auf der gegenüberliegenden Seite sich mit nur etwa 280 Kilometern pro Sekunde bewegten. Diese Diskrepanz war für sich allein kein Beweis für Dunkle Materie, aber sie war ein frühes Zeichen dafür, dass Spiralgalaxien sich nicht so einfach drehen wie ein Sonnensystem, und sie warf eine Frage auf, deren richtige Klärung Jahrzehnte dauern sollte.

Fritz Zwicky trieb das Rätsel 1933 weiter voran. Der Schweizer Astrophysiker, der am Caltech arbeitete, untersuchte einen Galaxienhaufen und versuchte, ihn auf zwei verschiedene Arten zu wiegen: einmal durch Aufsummieren des Lichts seiner Mitgliedsgalaxien und einmal durch Messung, wie schnell sich diese Galaxien unter der Schwerkraft des Haufens umeinander bewegten. Die beiden Ergebnisse stimmten nicht überein.

Zwickys geschwindigkeitsbasierte Schätzung ergab etwa 400-mal mehr Masse, als die sichtbaren Galaxien erklären konnten – eine Lücke, die viel zu groß war, um sie allein mit gewöhnlichen Sternen und Gas zu erklären. Er kam zu dem Schluss, dass der Großteil des schwerkrafterzeugenden Materials des Haufens dunkle, unsichtbare Materie sein musste – eine Idee, die auf bessere Instrumente warten musste, bevor der Rest der Astronomie sie ernsthaft aufgriff.

Vera Rubin stieß auf eine Hürde, bevor sie überhaupt an das Rätsel der Galaxienrotation herankam: einfach nur Teleskopzeit zu bekommen. Während sie am Carnegie Institution arbeitete, beantragte sie 1965 Beobachtungszeit am Palomar-Observatorium und wurde damit die erste Astronomin, der dort Beobachtungen erlaubt wurden.

Ein Jahrzehnt später erhielt sie ihre Chance, die größere Frage zu klären. Zusammen mit dem Astronomen Kent Ford präsentierte Rubin 1975 Ergebnisse vor der American Astronomical Society: In Spiralgalaxien bewegen sich Sterne am Rand mit nahezu derselben Geschwindigkeit wie Sterne näher am Zentrum, unabhängig davon, wie weit außen sie sich befinden – das bedeutet, dass die Galaxienmasse weit über den Punkt hinaus zunimmt, an dem die sichtbaren Sterne enden. Das ist genau die Art zusätzlicher, unsichtbarer Masse, die Zwicky aus Galaxienhaufen abgeleitet hatte – jetzt direkt innerhalb einzelner Galaxien gemessen.

Die Schwerkraft tut noch etwas Nützliches: Sie krümmt Licht. Dunkle Materie kann nicht direkt fotografiert werden, aber in Nature veröffentlichte Forschung bezeichnet den Gravitationslinseneffekt als die wirksamste Methode, sie nachzuweisen: Licht von entfernten Galaxien wird gekrümmt, wenn es Konzentrationen von Vordergrundmasse passiert. Da der Effekt nur von der Schwerkraft abhängt, erfasst er sowohl Dunkle Materie als auch gewöhnliche Materie gleichermaßen, was ihn zu einem der wenigen Werkzeuge macht, mit denen sich nachvollziehen lässt, wo sich die gesamte Masse des Universums tatsächlich befindet.

Diese Technik hat einige detaillierte Massenkarten erzeugt. Ein internationales Team analysierte Bilder von fünf Himmelsausschnitten – eine Gesamtfläche, die etwa 2200 nebeneinander platzierten Vollmonden entspricht – mit rund 15 Millionen Galaxien, und verfolgte, wie die Schwerkraft des kosmischen Netzes ihr Licht krümmte. Getrennt davon erstellte ein Team, das die Cosmic Evolution Survey (COSMOS) des Hubble-Weltraumteleskops nutzte – die größte Durchmusterung des Universums, die das Teleskop je durchgeführt hat, an der 70 Astronomen unter der Leitung von Nick Scoville vom Caltech beteiligt waren –, mithilfe desselben Linsenprinzips eine dreidimensionale Karte der Verteilung Dunkler Materie.

Auch die beiden Ansätze stimmen nicht immer mit anderen Methoden überein. Das Team der Weitfeld-Durchmusterung stellte fest, dass ihre eigene Schätzung, wie stark Materie im Kosmos zusammenklumpt, deutlich unter dem Wert lag, der aus den Beobachtungen des Planck-Satelliten berechnet wurde – eine Diskrepanz, an deren Auflösung Wissenschaftler noch arbeiten.

Dunkle Materie hat auch Fingerabdrücke auf dem ältesten Licht des Universums hinterlassen. Die kosmische Hintergrundstrahlung – Licht, das freigesetzt wurde, als das Universum etwa 375.000 Jahre alt war – trägt winzige Temperaturunterschiede, die nachzeichnen, wie Materie, einschließlich Dunkler Materie, bereits in dieser frühen Phase begann, sich zusammenzuballen.

Der Cosmic-Background-Explorer-Satellit (COBE) der NASA erfasste diese winzigen Temperaturunterschiede am Himmel erstmals 1992, und spätere Missionen verfeinerten das Bild. Die eigene Zeitlinie der NASA ordnet diese Momentaufnahme in ein Universum ein, das sich seit 13,77 Milliarden Jahren entwickelt – lange genug, damit die Schwerkraft kleine Schwankungen aus dem frühen Universum zu den Galaxien, Haufen und dem kosmischen Netz zusammenziehen konnte, die Astronomen heute kartieren.

Nicht jeder Astrophysiker ist davon überzeugt, dass Dunkle Materie die richtige Antwort ist. Seit Jahrzehnten messen Forscher im Weltraum mehr Gravitationskraft, als die sichtbare oder bekannte Materie erklären kann, und die Standardlösung war die Annahme, dass unsichtbare Masse die Lücke füllt. Eine Minderheit argumentiert dagegen, dass das eigentliche Problem beim Gravitationsgesetz selbst liegt: Galaxien scheinen Regeln zu verletzen, die bis auf Isaac Newtons Arbeiten in den späten 1600er-Jahren zurückgehen, was die modifizierte Newtonsche Dynamik, kurz MOND, als rivalisierende Erklärung am Leben hält.

Unterdessen läuft die direkte Suche nach einem Dunkle-Materie-Teilchen weiter. Ende 2025 schloss der Dunkle-Materie-Detektor LZ WIMP-Wechselwirkungen mit Wirkungsquerschnitten über 9 GeV/c2 als mögliche Erklärung aus und meldete zugleich den ersten bestätigten Nachweis von Bor-8-Sonnenneutrinos durch einen verwandten Prozess namens kohärente elastische Neutrino-Kern-Streuung. Welche Erklärung sich am Ende auch durchsetzt, die Jagd nach der fehlenden Masse des Universums ist noch immer in vollem Gange.

• Einzigartige Vorhersage der „modifizierten Gravitation" stellt Dunkle Materie infrage | ScienceDaily
• Dunkle Materie könnte glatter sein als erwartet | ESO
• WMAP-Übersicht – NASA Science
• ESA – Erste 3D-Karte des Gerüsts der Dunklen Materie im Universum
• Karten der Dunklen Materie enthüllen kosmisches Gerüst | Nature
• Wikipedia: Dunkle Materie
• Wikipedia: Vera Rubin
• Wikipedia: Galaxien-Rotationskurve