Matthias Gräbner - Kosmos - Quanten - Zeitreise.

Heute vor 13 Milliarden Jahren herrschte eine recht explosive Stimmung im Universum. Eben war es erst in einer gigantischen Explosion entstanden, dem Big Bang. Strukturen, wie wir sie heute kennen, existierten noch nicht.

Seine Zusammensetzung muss aber schon dem mittlerweile deutlich ruhigeren Kosmos entsprochen haben, der sich in der Gegenwart um uns ausbreitet. Das heißt auch: sichtbare Materie stellt nur vier Prozent des Universums dar. 23 Prozent rechnet man der so genannten Dunklen Materie zu, der Rest ist Dunkle Energie. Über diese Verhältnisse sind sich die Wissenschaftler großteils einig - sie erklären auch, warum das Weltall in dem Tempo auseinanderstrebt, das es nun mal messbar an den Tag legt.

Worüber man sich jedoch bisher wenig Gedanken gemacht hat, das ist die Rolle der Dunklen Materie in der Kinderstube des Universums. Hat sie sich fein aus der Erziehung herausgehalten, sind die heutigen Strukturen ohne ihr Zutun zustande gekommen? Wegen der damaligen Größen- und Dichtenverhältnisse scheint das nicht sehr wahrscheinlich. US-Forscher der University of Utah haben in einer Studie für die Physical Review Letters untersucht, wie das Universum damals tatsächlich ausgesehen haben könnte.

Die Theorie geht bisher davon aus, dass sich im Nachhall der Riesenexplosion feinste Wirbel in der kosmischen Strahlung bildeten, die zu lokalen Dichteunterschieden führten. Die Materie begann, sich an diesen Stellen zusammenzuklumpen. In dem Maße, wie sich Helium- und Wasserstoffatome in Wolken sammelten, kühlten sich die Teilchen ab. Die Wolken schrumpften dadurch allmählich - bis an einem bestimmten Zeitpunkt die Dichte groß genug war, dass die Kernfusion einsetzen konnte, die noch heute die Sterne antreibt.

Wo passt in dieses Modell die Dunkle Materie? Die Wissenschaftler um Paolo Gandolo gehen davon aus, dass sie die Zusammenballung zu den ersten Sternen verzögerte. Die Neutralinos der Dunklen Materie könnten sich gegenseitig annihiliert haben, dabei Quarks, Antiquarks und Wärme produzierend. Dieser Prozess hinderte, wenn das Simulationsmodell der Forscher stimmt, die riesigen Gaswolken daran, weiter zu schrumpfen und klassische Sterne zu bilden. Rund 80 bis 100 Millionen Jahre nach dem Big Bang prangten stattdessen Dunkle Sterne am Himmel, die nur im Infrarotbereich strahlten. Sie müssen 400- bis 200.000-mal größer als die Sonne gewesen sein. Die Prozesse in ihrem Inneren setzten allerdings auch Gammastrahlung, Protonen und Antiprotonen frei - um harmlose Giganten handelte es sich nicht.

Das Modell des Forscherteams hat drei wesentliche Auswirkungen. Es erklärt einerseits die Bildung schwerer Elemente auf neue Weise. Zweitens könnte es bei der Suche nach Dunkler Materie helfen - Gamma- und andere Strahlung, die aus einem solchen Stern kommt, hätte ganz charakteristische Eigenschaften. Und drittens könnte es erklären, warum sich Schwarze Löcher schon so früh in der Evolution des Universums bildeten - nach der bisherigen Theorie ist das nicht richtig erklärbar. Theoretisch könnte das Universum, meinen Gandolo und Kollegen, noch immer Dunkle Sterne beherbergen. Ob sich der Prozess der Neutralino-Annihilation und der Abkühlung der Gaswolke die Waage halten können, hängt aber wesentlich von der Masse der Neutralinosab. Und da man diese hypothetischen Bestandteile der Dunklen Materie noch nie beobachten konnte, kann man in die Computermodelle sehr frei jeden beliebigen Wert einsetzen.

Unsere Erstgeborenen, die Sterne, die unmittelbar nach der Entstehung des Universums ihren Wasserstoffzyklus starteten, verraten Kosmologen auch etwas über die Natur der Dunklen Materie.

Rund 85 Prozent der im Universum verteilten Materie ist unsichtbar - sie interagiert nicht mit der gewöhnlichen Materie um uns herum und wird deshalb auch Dunkle Materiegenannt. Lediglich der Gravitation kann auch sie nicht entsagen. Diese Eigenheit erschwert es der Wissenschaft ein klein wenig, etwas über die grundlegenden Eigenschaften der Dunklen Materie herauszufinden - und letztlich auch wirkliche Klarheit über unser Universum zu bekommen, das wohl (wenn man nicht gerade der MOND-Theorie glauben mag (siehe "MOND statt Dunkler Materie") zu fast drei Vierteln aus Dunkler Energie (http://de.wikipedia.org/wiki/Dunkle_Energie) und zu knapp einem Viertel aus besagter Dunkler Materie besteht. Lediglich der in den Wörtchen „fast“ und „knapp“ versteckte Rest steht den Beobachtungsinstrumenten Rede und Antwort.

Es ist deshalb immer wieder spannend, wenn Wissenschaftler über Umwege der Dunklen Materie doch auf die Schliche kommen. In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science (http://www.sciencemag.org) beschreiben Liang Gao und Tom Theuns vom Institute for Computational Cosmology der britischen Durham University eine solche Indizienkette. In ihrem Artikel „Lighting the Universe with Filaments“ (doi: 10.1126/science.1146676) zeigen die Kosmologen, wie sich die mittlere Energie der Dunklen Materie auf die Entstehung der ersten Sterne im Universum ausgewirkt haben muss.

Üblicherweise ging die Forschung bisher davon aus, dass die Dunkle Materie nicht sonderlich energiereich ist - sie ist, wenn man kinetische Energie als Wärme ausdrückt - „kalt“ (cold dark matter, CDM). Das hat den Vorteil, dass sich dem frühen Universum aufgeprägte Dichteunterschiede für sehr lange Zeit und auch bis in kleinere Maßstäbe erhalten konnten. Dieses Modell kann offensichtlich die Verteilung der Galaxien sehr gut beschreiben - es könnte aber bei Verhältnissen ab und unter der typischen Galaxiengröße versagen, indem es zum Beispiel zu viele Satellitengalaxien vorhersagt.

Die Alternative dazu ist die „warme“ Dunkle Materie (warm dark matter, WDM). In ihr würden die thermischen Geschwindigkeiten ihrer (bis jetzt nicht definitiv bekannten) Bestandteile die Ausbildung von Strukturen auf die durchschnittliche Distanz beschränken, die ein WDM-Partikel in seiner Lebenszeit zurücklegt. Dabei handelt es sich um Größenverhältnisse, die deutlich unter den mit kalter Dunkler Materie möglichen Strukturgrößen liegen. Das würde theoretische Probleme beheben, die aus den Fehlvorhersagen eines Modells mit CDM resultieren - die Halos aus Dunkler Materie, die sich um die Galaxien formen, hätten im warmen Zustand weniger Struktur, es müssten sich unter anderem weniger Satellitengalaxien bilden. In größeren Maßstäben jedoch, also wenn es um die Verteilung von Sternensystemen im Universum geht, ergeben beide Theorien dieselben Resultate.

Außerdem, und diesen Nachweis beschreiben Gao und Theuns in Science, muss sich die Energie der Dunklen Materie auch auf die Art und Weise der Sternentstehung im noch jungen Weltall ausgewirkt haben. Praktisch hat sich die Geburt der Sterne vollzogen, wenn primordiales Gas komprimiert wurde, weil es in einen von Dunkler Materie gebildeten Potentialbrunnen fiel. Diese Potentialbrunnen sind nun in einem Maßstab angesiedelt, in dem warme und kalte Dunkle Materie unterschiedliche Strukturen ausbilden. Genau diese Strukturen haben die Forscher nun im Computer simuliert.

Ihr Ergebnis: Unter WDM-Einfluss müssten sich die allerersten Sterne innerhalb von fadenförmigen Anordnungen gebildet haben, die Längen von um die drei Kiloparsec (http://de.wikipedia.org/wiki/Parsec) erreichen sollten. Zum Vergleich: Galaxien sind bis zu ein Megaparsec groß. Die Computersimulation setzte auf das (hypothetische) Gravitino (http://de.wikipedia.org/wiki/Gravitino) als „warmen“ Bestandteil der Dunklen Materie, sie soll aber für andere von der Forschung erwogene Kandidaten (wie das „sterile Neutrino“ http://www.rhombos.de/shop/a/show/story/?782) ebenfalls gelten. Kalte Dunkle Materie würde solche Filamente ebenfalls erzeugen - allerdings würden diese in zahlreiche Unterstrukturen zerfallen. Jetzt liegt der Ball also bei den Astronomen: Wenn diese mit Beobachtungen zeigen können, welchen Strukturen die ältesten Sterne eher entsprechen, dann ließen sich Rückschlüsse auf die tatsächlichen Bestandteile der Dunklen Materie ziehen.