Die dunkle Seite der Gravitation

Dunkle Materie - das ist seit Jahrzehnten nur ein Begriff in astrophysikalischen Theorien. Was dahinter steckt, entzieht sich hartnäckig allen Bemühungen der Forschung. Vieles deutet darauf hin, dass es neben der sichtbaren Materie im Universum noch eine lediglich durch ihre Anziehungskraft in Erscheinung tretende unsichtbare Materie gibt. Denn wie sollte man sich sonst erklären, dass die Rotationsgeschwindigkeiten, mit denen sich Sterne um die Zentren ihrer Galaxien bewegen, mit dem Abstand vom Zentrum zunächst erwartungsgemäß abnehmen, dann aber wieder anwachsen oder zumindest konstant bleiben? Auch das Bewegungsverhalten der Galaxien in den Galaxienhaufen deutet auf die Existenz dieser ominösen Materie hin. Die Abweichungen der Bewegungen von dem, was die klassische Physik verlangt, sind so erheblich, dass man das Phänomen keineswegs ignorieren kann.

Als die ersten Anomalien im Bewegungsverhalten von Galaxien durch den Schweizer Astronomen Fritz Zwicky 1933 festgestellt wurden, herrschte noch große Skepsis, ob das tatsächlich ein realer Effekt sei. Immer genauere Beobachtungen über das Bewegungsverhalten der Sterne in unserer und anderen Galaxien u. a. durch die Ende 2016 verstorbene US-Wissenschaftlerin Vera Rubin galten den meisten Astronomen aber schließlich als eindeutige Hinweise auf große Mengen Dunkler Materie. Berechnungen zeigen, dass es rund sechsmal so viel sein müsste wie alle sichtbaren Objekte des Weltalls zusammengenommen.

Doch woraus könnte diese ominöse Masse bestehen? Die Forscher gingen das gesamte Spektrum bekannter lichtschwacher Objekte durch und versuchten abzuschätzen, ob der Fehlbetrag von diesen kommen konnte. Unter dem Oberbegriff MACHO (Massive Compact Halo Object) wurde die Zahl der Schwarzen Löcher abgeschätzt, ebenso auch die der Planetoiden. Dabei zeigte sich jedoch bald, dass man dem Problem auf diese Art nicht beikommen konnte. Ähnlich erfolglos blieb man auch bei der Einbeziehung der Neutrinos, extrem schwach wechselwirkender ladungsloser Teilchen aus der Frühzeit des Universums.

Dann kam die Idee auf, dass die Gleichungen von Newton und Einstein möglicherweise die Bewegungen kosmischer Objekte auf großen Skalen nicht richtig beschreiben. Der israelische Physiker Mordehai Milgrom erdachte 1983 eine »Modifizierte Newtonsche Dynamik« (MOND), die viele Anhänger fand, wenn auch die Kritiker bemängelten, man könne immer eine Theorie so modifizieren, dass sie zu den Beobachtungen passt. Gesucht wurde daher nach Beobachtungsdaten, die sich nur mit Hilfe von MOND erklären ließen. Doch auch das brachte keine eindeutigen Ergebnisse, die den Zwist der Fachleute endgültig beseitigt hätten.

Stattdessen verlegten sich die Elementarteilchenphysiker auf hypothetische Teilchen, aus denen die Dunkle Materie bestehen sollte. Von Axionen war z. B. die Rede, die beim Urknall in unvorstellbaren Mengen entstanden sein sollten. Wenn tatsächlich in jedem Kubikzentimeter des Raumes hunderte Billionen dieser hypothetischen massearmen Teilchen steckten, könnten sie des Rätsels Lösung sein. Doch alle Versuche, solche Axionen nachzuweisen, sind bislang erfolglos geblieben. Ebenso erging es bisher mit den WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles - schwach wechselwirkende massive Teilchen), die als Kandidaten für die Dunkle Materie seit langem im Gespräch sind. Selbst am CERN ist inzwischen bei manchen Physikern so etwas wie Katerstimmung aufgekommen, weil seit der Entdeckung des Higgs-Bosons 2012 nichts Bedeutendes mehr gefunden wurde.

Da die Theoretiker vermuten, die WIMPs könnten zu den sogenannten supersymmetrischen Teilchen zählen, von denen man auch bislang keine Spur entdecken konnte, sprechen Verzagte bereits davon, dass es diese Teilchen womöglich gar nicht gibt (siehe Kasten). Kein Wunder, dass die MOND-Anhänger Morgenluft wittern. So hat gerade der Physiker Erik P. Verlinde von der Universität Amsterdam eine ganz neuartige Interpretation der Gravitation veröffentlicht, die zur Zeit lebhaft diskutiert wird. Darin erklärt er die Gravitation zu einer Art Nebenprodukt quantenmechanischer Wechselwirkungen. Demnach soll die Dunkle Materie nur eine Illusion darstellen, die sich aus einer Wechselwirkung der Materie im Universum mit der Dunklen Energie ergibt. Verlinde fasst die Raumzeit samt ihrem Inhalt als eine geometrische Repräsentation von Quanteninformatioen auf. Manche Forscher halten das für einen wichtigen Ansatz, der möglicherweise das Ende der Dunklen Materie einläuten könnte.

Doch soweit ist es noch lange nicht. Verlindes Theorie muss nämlich Beobachtungsdaten reproduzieren, welche die ursprüngliche MOND-Theorie nicht erklären konnte. Dazu zählen die Beobachtungen am sogenannten Bullet Cluster (»Geschosshaufen«), zwei Galaxienhaufen in knapp vier Milliarden Lichtjahren Entfernung, die frontal zusammenstoßen. Während die normale sichtbare Materie kollidiert, verhält sich die Dunkle Materie anders: Sie wandert einfach durch den Ort des Zusammenstoßes hindurch. Das wird nicht nur als Hinweis auf ihre Existenz gesehen, sondern auch als Beleg, dass sie mit normaler Materie keine Wechselwirkung eingeht. Verlinde ist optimistisch, auch diesen Befund mit seiner Theorie erklären zu können, indem er annimmt, dass der gravitative Effekt der Dunklen Energie in die Raumzeit eingebettet ist und daher weniger deformiert wird als die Materie.

Das alles sind noch ziemlich skizzenhafte Vermutungen, die deutlich von der persönlichen Haltung der Akteure zur Dunklen Materie geprägt werden. Dass sich die Dunkle Materie in Kürze tatsächlich als eine Fehlinterpretation erweisen könnte, scheint allerdings ebenso unwahrscheinlich wie eine endgültige Antwort auf die Frage nach dem Wesen dieses kosmischen Phänomens. Dafür sorgen schon die fast täglich erscheinenden Publikationen mit immer neuen alternativen Ideen oder auch überraschenden Beobachtungen.

So hat z. B. der Nachweis von Gravitationswellen als Ergebnis der Kollision von jeweils zwei Schwarzen Löchern im Jahre 2016 die Debatte neu belebt. Es wäre durchaus denkbar - so ein Team um Adam Riess von der Johns Hopkins University in Baltimore -, dass von den hypothetischen »primordialen Schwarzen Löchern« aus der Frühzeit des Universums genügend Exemplare übrig geblieben sind, um in ihrer Gesamtheit das Phänomen der Dunklen Materie zu erklären. Da wir diese Objekte nur wahrnehmen, wenn sie kollidieren und Gravitationswellen emittieren, bedarf es weiterer Beobachtungen, um diese These zu erhärten oder zu widerlegen. Das kann Jahre dauern.

Inzwischen haben neue Beobachtungen eines Teams um Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, die gerade im Fachblatt »Nature« publiziert wurden, weitere Verwirrung gestiftet. Genzel und Mitarbeiter fanden nämlich heraus, dass in zehn Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxien, deren Bilder uns gleichsam aus einer frühen Phase des Universums erreichen, weitaus weniger Dunkle Materie vorkommt als in den Galaxien unserer näheren kosmischen Umgebung. Eine griffige Erklärung steht noch aus. Denkbar wäre aber nach Genzel auch der Schluss, dass das, »was wir kalte Dunkle Materie nennen, gar nicht das ist, was wir glauben«.

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