Seit etlichen Jahren zeichnet sich immer deutlicher ein massives Dilemma der Astronomen ab: Bei ihrem forschenden Blick hinaus in die Tiefen des Alls haben sie bislang kaum die Spitze des Eisbergs gesehen. 90 Prozent des Stoffs, aus dem das Universum besteht, blieb ihnen verborgen.
Am Anfang waren es nur unerwartete Ergebnisse, die aufhorchen ließen: Bei benachbarten Galaxien hatten die Astronomen die Drehgeschwindigkeit in verschiedenen Abständen vom Zentrum gemessen. Nach außen hin sollten sich die Spiralen immer langsamer drehen – so war es nach den Keplerschen Gesetzen zu erwarten. Doch bis in die Randbezirke hinein blieb die Rotationsgeschwindigkeit gleichmäßig hoch: Offenbar mußte in den Spiralgalaxien ein wesentlich stärkeres Schwerefeld am Werk sein, als man allein aus der sichtbaren Materie ableiten konnte.
Seit die Astronomen in den achtziger Jahren eine Vielzahl von Galaxienhaufen fanden, wurde das Menetekel für die meisten zur Gewißheit: Die Entstehung so riesiger Strukturen in vergleichsweise kurzer Zeit läßt sich überhaupt erst erklären, wenn das Universum mindestens zehnmal mehr Materie enthält, als die Astronomen anhand der elektromagnetischen Strahlung dingfest machen können. Bis zu 90 Prozent der Materie im All verrät sich nur durch ihre Schwerkraft, sie hat sich bislang einer direkten Beobachtung entzogen.
Ohne den massiven Nachdruck, den diese Dunkle Materie auf den kläglichen Anteil der sichtbaren Welt ausübt, wären Materiekonzentrationen solcher Größenordnung, wie sie die Galaxienhaufen darstellen, in einem expandierenden Universum vielleicht nicht einmal bis heute entstanden, geschweige denn schon vor vielen Milliarden Jahren.
Unklar bleibt, was das eigentlich ist, diese Dunkle Materie. Handelt es sich um Neutrinos mit einer winzigen Ruhemasse? Da sich solche Teilchen fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen müßten, eine hohe Geschwindigkeit aber physikalisch auch als Ausdruck einer hohen Temperatur angesehen wird, sprechen die Theoretiker von Heißer Dunkler Materie (HDM). Denkbar wären aber auch sogenannte WIMP (für Weakly interacting massive particles – schwach wechselwirkende massereiche Teilchen), die sich deutlich langsamer bewegen müssen und daher als Kalte Dunkle Materie bezeichnet werden. Allerdings konnte bisher weder eine von Null verschiedene Ruhemasse der Neutrinos noch die generelle Existenz von WIMP zweifelsfrei nachgewiesen werden. Und Modelle, in denen der Aufbau des Universums nachgeahmt wird, machen das Problem keineswegs einfacher: Weder mit Heißer noch mit Kalter Dunkler Materie allein läßt sich die Bildung der beobachteten Strukturen nachvollziehen. Im einen Fall (HDM) erhält man zu viele große und zu wenige kleine Strukturen wie einzelne Galaxien, im anderen Fall (CDM, für Cold Dark Matter) ergibt sich eine Überzahl an kleineren Bausteinen, aus denen bei weitem nicht genügend Großstrukturen herangewachsen sein können.
Eine Mixtur jedoch – ein Teil HDM auf drei Teile CDM – könnte gerade das richtige Mischungsverhältnis von großen und kleinen Strukturen im Weltall liefern, wie Modellrechnungen ergeben haben.
Getreu dem Spruch des Mephisto “Grau, lieber Freund, ist alle Theorie” versuchen die Astronomen alle möglichen Tricks, um die Dunkle Materie doch irgendwie dingfest, sichtbar zu machen – wenn schon nicht ihre Natur, so zumindest ihre Verteilung im Weltall, denn daraus wären zumindest Rückschlüsse auf ihre Natur möglich. Dabei ist eine Gruppe von Forschern der Bell Laboratories /Lucent Technologies vor kurzem fündig geworden.
Als Datenquelle diente ihnen die Hubble-Aufnahme einer Gravitationslinse, bei der ein “naher” Galaxienhaufen – der rund fünf Milliarden Lichtjahre entfernte Haufen CL 0023+1654 im Sternbild Fische – das Licht eines weiter entfernten Spiralsystems in charakteristischer Weise verzerrt. Mit einem Supercomputer versuchten die Forscher, die Verteilung der Dunklen Materie in diesem Galaxienhaufen zu errechnen: Der aus sichtbarer und unsichtbarer Materie bestehende Haufen sollte das Licht der dahinter liegenden Galaxie genau so verzerren, wie es in dem Hubble-Bild sichtbar war.
Tatsächlich fanden sie unter den mehr als eine Million durchgerechneten Gravitationsmodellen auch solche, deren Wirkung dem real existierenden Galaxienhaufen offenbar recht nahe kam – das entsprechende Bild der verzerrten Galaxie zeigt jedenfalls verblüffende Ähnlichkeit mit der zugrundeliegenden Hubble-Aufnahme.
Danach scheinen viele, allerdings nicht alle Galaxien in diesem Haufen von einem Halo aus Dunkler Materie umgeben zu sein. Darüber hinaus enthält der Galaxienhaufen aber offenbar eine ausgedehnte, diffuse Wolke Dunkler Materie, die eine deutliche Konzentration zum Zentrum des Galaxienhaufens hin zeigt. Sie umfaßt immerhin 90 Prozent der Gesamtmasse des Galaxienhaufens – etwa 170 Billionen Sonnenmassen.
Wenn es gelingt, bei anderen Gravitationslinsen ähnliche Karten von der Verteilung der Dunklen Materie zu erstellen, sollte es möglich werden, das Mischungsverhältnis aus Kalter und Heißer Variante genauer zu ermitteln – und damit den Theoretikern konkrete Hilfestellung bei ihren Modellrechnungen an die Hand zu geben, mit denen sie der Dunklen Materie auf die Spur kommen wollen.
Hermann-Michael Hahn
