Matthias Gräbner - Kosmos - Quanten - Zeitreise.

Praktischerweise ist das Universum dank seiner fortgesetzten Expansion jedoch seine eigene Zeitmaschine. Der Blick in die Vergangenheit ist nicht nur möglich, sondern wird längst auch fleißig genutzt. Geht es um den Übergang zwischen neutraler und ionisierter Phase, dann interessiert vor allem, wie weit die neutralen Atome inzwischen in Raum und Zeit gereist sind. Wasserstoff ist an charakteristischen Emissions- beziehungsweise Absorptionslinien bei 21 Zentimetern Wellenlänge erkennbar. Wegen der Rotverschiebung durch die Expansion des Kosmos sollten sich für verschiedene Frequenzen je nach Alter des Wasserstoffs unterschiedliche Intensitäten ergeben. Wie der Zufall so spielt, handelt es sich dabei um durchaus bekannte Frequenzen im UKW-Bereich; die Wellenlänge wird durch die Rotverschiebung von 21 Zentimeter auf etwa zwei Meter gestreckt. Der Aufgabe, diesen Bereich zu durchmustern, haben sich die amerikanischen Forscher Judd Bowman und Alan Rogers gestellt - im Wissenschaftsmagazin Nature berichtensie von ihren Ergebnissen.

Der Charme der Arbeit von Bowman und Rogers liegt aber auch in einem anderen Aspekt: Ob CERN oder Hubble, Spitzenforschung, hat es oft den Anschein, lässt sich heute nur noch mit exorbitanten Ausgaben betreiben. Was die Wissenschaft ohne allzu großen Aufwand herausfinden konnte, ist längst erforscht - könnte man denken. Was Bowman und Rogers interessiert, braucht ausnahmsweise keinen milliardenteuren Detektor: Eine simple Dipol-Antenne genügt. Dabei hat das interessierende Signal überaus starke Konkurrenz - wie zum Beispiel die um vier Größenordnungen stärkere Synchrotronstrahlung der Milchstraße und außergalaktischer Quellen. Und natürlich die trotz der bewusst abgelegen gewählten Mess-Location einfallenden menschgemachten Sendungen von Radio und Fernsehen.

Der Kniff, den die Forscher deshalb anwenden mussten: Sie nahmen eine bestimmte spektrale Verteilung für die überdimensionalen Störquellen an und konnten so auf den eigentlich gesuchten globalen Hintergrund schließen. Sehr präzise Ergebnisse erlaubt dieses Verfahren nicht - doch immerhin lassen sich mit Hilfe der Daten einige kosmische Entwicklungsszenarien ausschließen lassen. Klar ist nun etwa, dass die Reionisierungsphase nicht sehr kurz gewesen sein kann. Ob sich diese Angabe noch präzisieren lässt, wird sich zeigen - das hängt vor allem davon ab, ob für den simplen Radiodetektor eine bessere Kalibrierung möglich ist. Unterdessen sind weltweit Niedrigfrequenz-Radioteleskope in Bau, die auf dasselbe Problem angesetzt werden sollen.

Bei der Fahndung nach Spuren Dunkler Masse und Dunkler Energie dreht sich die Wissenschaft regelmäßig im Kreis. Sollte sich das zur Rettung der Allgemeinen Relativitätstheorie sehr praktische Konstrukt doch als unauffindbar erweisen?

Das Konzept der Dunklen Materie hat einiges für sich - zum Beispiel die für eine Theorie sehr nützliche Eigenschaft, dass sich daraus getroffene Voraussagen an der Wirklichkeit bestätigen lassen. Bei der Suche nach ihren Komponenten folgen jedoch auf Erfolgserlebnisse regelmäßig auch widersprüchliche Ergebnisse. 2008 hatten Forscher zum Beispiel erste Ergebnisse der Messungen des Pamela-Experimentsveröffentlicht, das an Bord des russischen Satelliten Resurs-DK1 seit 2006 Daten sammelte. Pamela sucht in der kosmischen Strahlung nach Hinweisen auf Dunkle Materie. Ebensolche meinte man in Form von Positronen eines bestimmten Energiebereichs gefunden zu haben, die eigentlich nur aus einer bislang unbekannten Quelle stammen konnten - nämlich der Annihilation von Teilchen der Dunklen Materie (siehe „Spuren Dunkler Materie - mit Fragezeichen“).

Dass die dabei theoretisch ebenfalls auftretenden Antiprotonen nicht registriert wurden, ist das kleinere Problem. Das größere Ärgernis bestand darin, dass die auf diese Weise aufgespürte Dunkle Materie Eigenschaften haben muss, die es unmöglich machen, dass dieselben Partikel in großen, erdgebundenen Experimenten wie dem CDMS-IIgefunden werden können. Trotzdem haben diese Detektoren aber in jüngster Zeit durchaus Hinweise auf WIMPs, die Dunkle-Materie-Kandidaten, aufgespürt (siehe „Nahe an einem Beweis für die dunkle Materie“).

In Phys. Rev. D haben Forscher deshalb eine Theorie dargelegt, nach der die Dunkle Materie gleich aus zwei Bestandteilen aufgebaut sein könnte. Der eine, eher konventionelle, würde sich in direkten Detektor-Experimenten bemerkbar machen. Für ihn kommt das Neutralino in Frage, das sein eigenes Antiteilchen ist. Der zweite, mysteriöse Anteil wäre wie im Pamela-Instrument nur durch sekundäre Teilchen nachzuweisen. Er müsste aus dem „Hidden Sector“ kommen, einer Ergänzung zum Standard-Modell der Physik, das diverse neuartige Teilchen gebiert. Eines dieser Hidden-Sector-Teilchen zerfällt der Theorie nach in Positronen, ohne dass dabei Anti-Protonen freigesetzt würden.

Aber vielleicht sind die Forscher ja auch einem Phantom auf der Spur. Etwas später veröffentlichten zwei britische Astronomen in den weniger bekannten „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ ihre Analyse des Experiments, das überhaupt erst Hinweise auf Dunkle Materie gelieferte hatte. Das ebenfalls an Bord eines Satelliten befindliche WMAP-Experiment untersucht die kosmische Hintergrundstrahlung auf Anisotropie. Aus der Größe der Wellenstrukturen in der Hintergrundstrahlung, die mit der Struktur des frühen Universums verknüpft ist, hatte die Wissenschaft erst auf die Zusammensetzung des Weltalls aus 74 Prozent Dunkler Energie und 22 Prozent Dunkler Masse geschlossen.

Die britischen Forscher kamen zu dem Ergebnis, dass WMAP deutlich ungenauer misst als bisher vermutet. Haben die beiden Recht, ist die Anisotropie der Hintergrundstrahlung deutlich weniger ausgeprägt - und zu ihrer Erklärung braucht man Dunkle Energie und Dunkle Masse womöglich gar nicht mehr. Manch theoretischen Physiker mag das sogar freuen - wenn das Modell des Universums nur durch die Annahme exotischer Teilchen hält, dann ist es doch besser, das Modell bricht gleich zusammen und macht einem besseren Platz.

Bis dahin dürfte aber noch einige Zeit vergehen, denn es finden sich auch immer wieder Zeichen, dass es eine das Universum auseinander treibende Kraft (die Dunkle Energie) und einen für uns unsichtbaren Sternenkitt (die Dunkle Masse) geben muss. So hat etwa ein internationales Forscherteam mit Daten des Hubble-Weltraumteleskop eine Masseverteilung im Universum berechnet. Dazu nutzten sie den „Weak Lensing“-Effekt, der auf der Gravitationswirkung der (angenommenen) Dunklen Materie beruht. Die ungleichmäßig verteilte Dunkle Materie lenkt Licht auf unterschiedliche Weise ab - mit Beobachtungen aus verschiedenen Situationen bekommt man so ein dreidimensionales Bild dessen, wie das Universum strukturiert ist.

In einem Paperim Magazin Science nutzt eine andere Wissenschaftlergruppe ebenfalls mit Daten von Hubble und verschiedenen erdgebundenen Teleskopen den gegensätzlichen Effekt des „Strong Lensing“, der auf der gravitationellen Lichtablenkung durch ganze Cluster von Galaxien beruht. Die Idee: wenn man weiß, wie uns das Licht ferner Galaxien erreichen müsste, kann man durch Vergleich mit der Wirklichkeit auf sonst unsichtbare Einflüsse schließen. Die Forscher haben so die Beobachtungsergebnisse von 34 extrem weit entfernten Galaxien analysiert, deren Licht durch Abell 1689 abgelenkt wird, einen der mächtigsten Galaxien-Cluster des Universums. Auf diese zunächst als Umweg erscheinende Weise kommen die Astronomen den Eigenschaften der Dunklen Energie ein Stück näher: Sie konnten den Bereich, in dem die Wirkung der Dunklen Energie auf das Universum liegen müsste, um dreißig Prozent verkleinern.