Physiker kommt der Entdeckung Dunkler Materie greifbar nah

Wenn es stimmt, was ein NASA-Physiker jetzt veröffentlicht hat, dann war Dunkle Materie maßgeblich an der Entstehung der Sterne und somit auch des Lebens beteiligt—und sie war die ganze Zeit unter uns.

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30 Mai 2016, 3:00pm

Bild: NASA | flickr | CC BY 2.0

Irgendwo da draußen existiert Dunkle Materie, darin sind sich die Wissenschaftler sicher. Aus ihr setzt sich der Großteil der Materie unseres Universums zusammen und sie sorgt dafür, dass die Sterne in den Galaxien in schöner Ordnung zusammengehalten und nicht aufgrund von Zentrifugalkräften wild durcheinander gewirbelt werden. Die Frage um die Natur der Dunklen Materie ist eine zentrale Frage der kosmologischen Wisssenschaft. Messungen legen nahe, dass der Anteil der Dunklen Materie an der Gesamtmasse in unserem Universum etwa fünf Mal so hoch ist wie der sichtbarer Materie.

Worum es sich bei dem unsichtbaren Bestandteil des Kosmos jedoch handeln mag, darüber zerbrechen sich große Geister noch immer die Köpfe. Das beliebteste Modell geht davon aus, dass es sich bei der Dunklen Materie um sehr massereiche exotische Teilchen handelt. Gefunden hab sie aber noch keine.

Doch nun hat Alexander Kashlinsky vom Goddard Space Flight Center der NASA die Diskussion um eine Hypothese reicher gemacht, die möglicherweise Licht in die Geheimnisse der rätselhaften Wechselwirkung bringen könnte. Denn obwohl der Name etwas anderes verspricht, handelt es sich bei dem kosmischen Mysterium nicht um einen Zustand oder eine Substanz, sondern um eine Art der Gravitationswechselwirkung—einen „Klebstoff", der Galaxien zusammenhält.

Zentraler Bestandteil der Studie von Kashlinsky sind Schwarze Löcher, kosmische Objekte, deren Gravitation so stark ist, dass nichts, was jemals ihr Grenze passiert hat, wieder herausfindet. Unser Universum ist reich bestückt mit diesen Massephänomenen, von denen sich im Inneren der Galaxien, wie auch unserer eigenen, mindestens eines befinden soll.

Da Schwarze Löcher jedoch alles, inklusive Licht, verschlingen, was sich in ihrer Umgebung aufhält, ist es schwierig, sie überhaupt zu finden. Sie verraten ihre Existenz lediglich durch das Aussenden von Röntgen- und Infrarotstrahlung, wenn sie sich mit einem anderen Schwarzen Loch zu einem noch gewaltigeren Masseungetüm vereinigen. Auf diese Weise entdeckten die Forscher des LIGO im September letzten Jahres die Gravitationswellen, welche genau solch einem Zusammenschluss Schwarzer Löcher entsprungen waren. In diesem Zusammenhang konnte die Existenz Schwarzer Löcher zum ersten Mal direkt bewiesen werden.

Kashlinsky skizziert in seinem Paper, das in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde, nun folgendes Szenario: Kurz nach dem Urknall, während der ersten Sekunde in der Entstehung unseres Universums, bildeten sich zahlreiche Schwarze Löcher, sogenannte primordiale Schwarze Löcher, und aus genau diesen Schwarzen Löchern soll nach Argumentation des Astrophysikers die Dunkle Materie bestehen. Dunkle Materie ist demzufolge ein unsichtbarer Bestandteil eines Raumes, in dem die Schwerkraft besonders stark ist—entstanden in den ersten Momenten während der Geburt unseres Kosmos.

Dieses Bild wurde vom Spitzer Space Telescope der NASA aufgenommen und zeigt eine Infrarotsicht des Himmels im Bereich des großen Bären. | Bild: NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (Goddard)

Nachdem alle bekannten Sterne, Galaxien und anderen Artefakte ausradiert wurden, erscheint ein unregelmäßiges Hintergrundleuchten, der kosmische Infrarot-Hintergrund. Die Unregelmäßigkeiten sollen aus der Frühzeit des Universums stammen, als die ersten leuchtenden Objekte, Sterne und auch die ersten Schwarzen Löcher entstanden sind. | NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (Goddard)

„Diese Studie macht sich zum Anliegen, verschiedene Ideen und Beobachtungen zusammenzubringen und zu untersuchen, wie gut sie zusammenpassen und sie passen überraschend gut", so Kashlinsky, der bereits seit 2005 auf diesem Gebiet forscht und die Suche nach Dunkler Materie somit Stück für Stück eingrenzen konnte. „Wenn das alles korrekt ist, dann sind alle Galaxien, eingeschlossen unserer eigenen, in eine gewaltige Sphäre von Schwarzen Löchern eingebettet, von denen jedes rund 30 mal massereicher ist als die Sonne." Bedeutet: es gibt nicht nur, wie bisher vermutet, das dunkle Dichtephänomen in der Mitte unserer Galaxie, sondern noch ganz viele andere, kleinere Schwarze Löcher, die sich über unsere gesamte Milchstraße verteilen.

So klingen Gravitatinswellen: Der Herzschlag des Universums

Während der ersten 500 Jahre unseres Universums war normale Materie zu heiß, um eigenständig zu Sternen zu verschmelzen. Die Gravitationskräfte Dunkler Materie werden jedoch nicht von Hitze beeinträchtigt, sodass diese im Stande war, die heißen Gase soweit zu komprimieren, das sie sich unter dem Einfluss der eigenen Schwerkraft verdichten und eine Wasserstofffusionsreaktion auslösen können. Dunkle Materie wäre nach dem Modell von Kashlinsky also verantwortlich dafür, dass es Sterne und somit auch Leben in unserem Universum gibt.

Einige der primordialen Schwarzen Löcher haben sich dann im Laufe der Zeit einander so sehr angenähert, dass sie durch die eigene Schwerkraft angezogen wurden. Im Laufe von Äonen von Jahren gaben diese Doppelsysteme Gravitationsstrahlen ab und verschraubten sich in einer gigantischen Spirale miteinander, um letzten Endes zu einem noch größeren Schwarzen Loch zu verschmelzen.

Auch die vom LIGO aufgezeichneten Gravitationswellen, die vergangenes Jahr für eine Wissenschaftssensation sorgten, waren bei solch einem spektakulären Ereignis entstanden: der Vereinigung zweier Schwarzer Löcher, von denen eines 29 Mal und das andere 36 Mal massereicher war als unsere Sonne. „Abhängig von den beteiligten Mechanismen, könnten primordiale Schwarze Löcher ähnliche Merkmale aufgewiesen haben wie die, die vom LIGO festgestellt wurden", so Kashlinsky. „Nehmen wir an, dass das LIGO eine Fusion zweier Schwarzer Löcher aufgespürt hat, die im frühen Universum stattfand, dann können wir uns anschauen, wie sich unser Kosmos demzufolge letztendlich entwickelt hat."

Kashlinsky könnte mit seinen Ergebnissen die zentrale Frage nach der Existenz und Zusammensetzung Dunkler Energie beantwortet haben. Weitere Erkenntnisse wird uns wohl die neue Disziplin der Gravitationswellenforschung liefern.