Graham Lawton - Der Ursprung von (fast) allem

1970 machten Astronomen ähnliche Beobachtungen in Bezug auf einzelne Galaxien: Wie sich herausstellte, drehten diese sich so schnell, dass es sie eigentlich auseinanderreißen müsste. Anfangs schlossen sie sich der Erklärung Zwickys an, dass unsichtbares Gas im Spiel sein müsse, doch dann bekamen sie Schwierigkeiten. Würde es sich bei diesem Gas um normale, aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehende Materie handeln, dann wäre unsere Vorstellung davon, wie Sterne und Galaxien sich bildeten falsch: Die Atome wären niemals schnell genug zerfallen, um die ersten Sterne und Galaxien bilden zu können.

Die Wissenschaftler begannen also anzunehmen, dass es da draußen irgendetwas anderes geben müsse, eine mysteriöse Form von Materie, die Licht oder elektromagnetische Strahlung anderer Art weder absorbiert noch emittiert, was der Grund dafür ist, dass wir sie nicht sehen können. Sie interagiert aber mit der Gravitationskraft, was zur Folge hat, dass wir ihre Wirkung sehen können. Sie nannten sie »dunkle« Materie.

Kosmologen glauben jetzt, dass dunkle Materie einen signifikanten Bestandteil des Universums darstellt und bis zu 27 Prozent von ihm ausmacht. Ohne die zusätzliche Gravitationskraft, die sie hervorbringt, würden Galaxien sich nicht schnell genug bilden und auch nicht die Haufen oder Superhaufen von Galaxien entstehen, die wir heute beobachten können.

Dunkle Materie kommt vorwiegend in Gestalt kreisförmiger Halos um Galaxien vor. In der Tat ist ein Großteil der Masse einer Spiralgalaxie wie unserer Milchstraße nicht in Sternen und Planeten enthalten, sondern in dem unsichtbaren »Zeug«, das diese umgibt.

Her mit den WIMPs

Die ernüchternde Wahrheit ist aber, dass wir immer noch nicht wissen, was dunkle Materie ist. Den einleuchtendsten Theorien zufolge besteht sie aus hypothetischen Partikeln, die man WIMPs genannt hat, ein Akronym für weakly interacting massive particles (schwach wechselwirkende massereiche Teilchen). Wenn diese Theorien zutreffen, dann muss jede Sekunde eine riesige Menge dieser Teilchen unseren Planeten durchqueren. Man hat zahllose Experimente angestellt, um diese WIMPs zu entdecken oder sie in Laboratorien hervorzubringen – bislang ohne Erfolg.

Und je detaillierter die astronomischen Beobachtungen werden, desto unklarer, »dunkler« eben, wird die Sachlage. Manchmal scheint zu viel dunkle Materie da zu sein, wie etwa im Fall der Zwerggalaxien, die die Milchstraße umkreisen. Diese rotieren so schnell, dass sie zum Bersten voll mit dieser Materie sein müssen. Das ist aber genau das Gegenteil von dem, was unserer Theorie zur Bildung von Galaxien zufolge der Fall sein dürfte; diese besagt nämlich, dass die Menge dunkler Materie in Galaxien sich ungefähr proportional zu deren Größe verhalten müsste.

Dann wiederum scheint zu wenig dunkle Materie vorhanden zu sein. Über das Universum verteilt gibt es nur zwischen einem Zehntel und einem Hundertstel der Menge von kleinen Galaxien, die unserer Theorie der Galaxienbildung zufolge zu erwarten wäre. Und dann existieren auch Galaxien, die überhaupt keine dunkle Materie zu enthalten scheinen, obwohl sie umkreisende Sternenhaufen ein Plus an Gravitationsanziehung zu verspüren scheinen.

Eine Sache der Gravität

Das Fazit von alldem lautet, dass wir dringend in Erfahrung bringen müssen, woraus dunkle Materie besteht. Wenn sie nicht existiert, dann ist unser Verständnis von Gravitationskraft falsch, was für die meisten Astronomen undenkbar ist, die weiterhin ihre Hoffnung auf dunkle Materie setzen und sich bemühen, mithilfe von Beobachtungen der Art und Weise, in der Galaxien sich bewegen und kreisen, herauszufinden, welche ihre Eigenschaften sind.

Wenn Unkenntnis in Bezug auf ungefähr 27 Prozent des Universums sich nicht gut anhört, was soll man dann dazu sagen, dass wir über weitere 70 Prozent von ihm gar nichts wissen? Das war die alles andere als beneidenswerte Position, in die Kosmologen 1998 anlässlich der Entdeckung einer bizarren Art von Gravitationskraft gerieten, die heute als »dunkle Energie« bekannt ist.

Alles begann mit einem Routineexperiment, mit dem man die Ausdehnung des Universums quantifizieren wollte. Man nahm an, dass sich die Ausdehnungsrate progressiv verringern würde, da die Gravitationskraft die Auswirkungen des Big Bang, die Expansion des Universums, verlangsamen würde. Die Astronomen suchten nach Supernovae, explodierenden Sternen, deren Licht diesen Verlangsamungsprozess bestätigen würde.

Die Supernovae erzählten aber eine ganz andere Geschichte. Entfernte Supernovae waren viel weiter von der Erde weg, als sie es hätten sein sollen, wenn sich die Expansion verlangsamt hätte. Die Astronomen waren von der sich daraus zwangsläufig ergebenden Schlussfolgerung wie betäubt: Anstatt sich zu verlangsamen, beschleunigte sich die Ausdehnung des Universums. Wie konnte das sein?

Es ist zu einer der quälendsten Fragen in der Astrophysik geworden, und wir sind der Antwort immer noch nicht näher gekommen. Die meisten Physiker glauben, dass dunkle Energie die Erklärung liefert, eine schwer zu fassende Kraft, die in der Leere des Weltraums lauert. Dunkle Energie, so die Hypothese, mache circa 70 Prozent der Gesamtmasse des Universums aus, was bewirke, dass der Weltraum sich mit konstant zunehmender Geschwindigkeit ausdehne.

Worum genau handelt es sich bei dieser dunklen Energie? Nun …. Wir wissen es nicht. Es mangelt aber nicht an Ideen. Es könne im Stoff des Weltraums selbst inhärente Energie sein. Es könnte aber auch ein exotisches, Quintessenz genanntes Feld sein, das den Weltraum mit wechselnder Geschwindigkeit erweitert. Oder aber auch eine abgewandelte Form der Gravitationskraft, die unter gewissen Bedingungen eher abstößt als anzieht. Es könnte sogar nur eine Illusion sein.

Einsteins brillante Eselei

Das moderne Konzept von dunkler Energie ist weniger als 20 Jahre alt, Albert Einstein ersann aber ein ähnliches Phänomen schon im Jahr 1917 als eine Ergänzung zu seiner allgemeinen Relativitätstheorie. Er erkannte, dass die Gravitationskraft das Universum kollabieren lassen würde, deswegen führte er einen Korrekturfaktor ein und ersann die »kosmologische Konstante«, eine mysteriöse der Gravitationskraft der Materie entgegengesetzte Expansionskraft, die dem leeren Raum, dem Vakuum, inhärent ist. Später überdachte er das und nannte die Einführung dieser Konstante »die größte Eselei meines Lebens«. Wir wissen heute, dass er seiner Zeit voraus war.

Woher kommen schwarze Löcher?

Gehen Sie in einer sternklaren, dunklen Nacht einmal vor die Tür und halten Sie nach dem Sternbild Schütze Ausschau. Irgendwo jenseits von ihm lauert ein Himmelsmonster, das zu unser aller Glück sehr weit entfernt ist: ein supermassereiches schwarzes Loch. Sie werden es nicht sehen können, da es von Staub verhüllt, außerdem natürlich vollkommen schwarz und 27 000 Lichtjahre weit weg ist. Wir können aber gewiss sein, dass es da ist, genau im Zentrum unserer Galaxie.

Wie können wir so sicher sein? Und wie ist es dorthin gelangt?

Aber eines nach dem anderen. Niemand hat jemals ein schwarzes Loch gesehen. Wie können wir also von ihnen wissen?

Schwarze Löcher gelten oft als Entdeckung des 20. Jahrhunderts, doch die Vorstellung von ihrer Existenz kann bis 1783 zurückverfolgt werden, als John Michell, ein Geistlicher aus Yorkshire und Amateurphilosoph der Royal Society in London eine spekulative Abhandlung unterbreitete.

Michell befasste sich darin damit, wie man die Entfernung und Größe von Sternen messen könnte (ein Problem, das noch heute den Astronomen Kopfschmerzen bereitet). Er ging von Isaac Newtons Korpuskulartheorie aus, der zufolge Licht aus unendlich kleinen Partikeln oder »Körperchen« bestand. Michell argumentierte, dass das von einem Stern ausgestrahlte Licht von dessen Gravitationskraft in seiner Bewegung verlangsamt werden müsste. Das Maß dieser Verlangsamung könne herangezogen werden, um die Masse des Sternes und folglich seine Entfernung von der Erde zu bestimmen.