Dunkle Materie: Warum wir ständig nach etwas suchen, das vielleicht gar nicht existiert | Wissenschaft | Ausführliche Wissenschafts- und Technologieberichterstattung | DW

Es wurde nie entdeckt, nur spekuliert. Aber Wissenschaftler schätzen, dass bis zu 85 % der Materie im Universum aus sogenannter dunkler Materie bestehen könnte.

Wissenschaftler können dunkle Materie nicht mit Sicherheit definieren, aber das hat sie nicht davon abgehalten, danach zu suchen. Unser größtes und neuestes weltraumgestütztes Teleskop, das James-Webb-Weltraumteleskop, steht im Regal.

Das James-Webb-Weltraumteleskop kann dunkle Materie finden

Es dauerte kaum Augenblicke, nachdem die ersten Bilder des James Webb Space Telescope (JWST) am 12. Juli 2022 veröffentlicht wurden, als Kai Noeske etwas Mysteriöses und Wahres sagte.

Noeske, ein Astronom am Europäischen Weltraumobservatorium (ESOC) in Darmstadt, Deutschland, zeigte auf ein Bild von Stephans Quintett, einer Gruppe von fünf Galaxien, wie sie noch nie zuvor gesehen worden waren.

Und er sagte: „Es gibt eine Menge da draußen, die wir nicht wissen. Und wir wissen nicht, was wir nicht wissen. [But] Eines dieser Dinge könnte Dunkle Materie sein.“

Das Konzept der Dunklen Materie wurde zufällig entdeckt

Im 19. Jahrhundert wollte Lord Kelvin, ein schottisch-irischer Physiker, die Masse unserer Galaxie, der Milchstraße, schätzen, indem er Daten dazu verwendete, wie schnell sich Sterne um den Kern der Galaxie bewegten.

Aber Kelvin fand Inkonsistenzen oder Anomalien in den Daten, Dinge, die nicht erklärt werden konnten, und wurden „dunklen Körpern“ zugeschrieben, die wir nicht sehen können.

„Schätzungen zufolge scheint sich die Galaxie viel schneller zu drehen, als sie sollte“, erklärt Tvong You, Theoretiker am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung.

Der Large Hadron Collider ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt

Die Theorie besagt, dass es eine „unsichtbare Materie“ gibt, die für die Geschwindigkeit verantwortlich ist, mit der sich unsere Galaxie dreht, sagte U. Und das könnte auch für andere Galaxien gelten.

Es wurde beobachtet, dass sich Sterne mit höheren als den geschätzten Geschwindigkeiten bewegen, insbesondere an den Rändern von Galaxien. Und es ist seltsam.

Sterne müssen sich losreißen und „wegfliegen“

Stellen Sie sich vor, Sie hätten einen Stein an eine Schnur gebunden und ihn mit hoher Geschwindigkeit gedreht. Der Stein wird sich lösen und wegfliegen, wenn er eine Geschwindigkeit über einer bestimmten Schwelle erreicht – ein Punkt, an dem das Seil zu schwach wird, um den Stein festzuhalten, wenn der Stein an Geschwindigkeit zunimmt und mehr Kraft gewinnt.

Aber Astronomen haben beobachtet, dass sich Sterne weiter um das Zentrum der Galaxie drehen, selbst wenn die Schnur, die sie an der Galaxie hält, hätte reißen sollen, und die Sterne hätten „wegfliegen“ sollen.

Die einzige Erklärung der Astronomen ist, dass es eine unsichtbare Materie geben muss, die den Stein in Reichweite hält. Vielleicht ist es diese schwer fassbare dunkle Materie?

Dies bleibt eine unbeantwortete Frage. Und es gibt viele andere Anomalien, wie die Form einiger Galaxien, einschließlich unserer Milchstraße, die bisher ungeklärt sind.

Wir können dunkle Materie nicht sehen, aber wir können ihre Auswirkungen sehen

Wissenschaftler sagen, dass der Grund, warum wir diese unsichtbare Materie nicht sehen oder erkennen können, darin besteht, dass sie nicht mit elektromagnetischen Kräften interagiert – Dinge wie sichtbares Licht, Röntgenstrahlen oder Radiowellen.

Sie argumentieren, dass wir jedoch einige der Auswirkungen der Dunklen Materie durch ihre Gravitationskraft beobachten können.

Aber wir wollen immer noch Dunkle Materie selbst nachweisen. Und hier kommt der Large Hadron Collider des CERN ins Spiel. Tvong You und andere Forscher am CERN glauben, dass der LHC unsere beste Chance ist, dunkle Materie zu entdecken.

Wenn Teilchen am LHC kollidieren, werden die entstehenden Trümmer in Detektoren wie diesem eingefangen. Dies ist eine Illustration eines der Detektoren des LHC.

Vor einem Jahrzehnt bewiesen Experimente am LHC das Standardmodell der Teilchenphysik, indem sie das Higgs-Boson-Teilchen entdeckten – ein Teilchen, das sich selbst lange als schwer fassbar erwiesen hat.

Das Standardmodell ist die Idee, dass alles im Universum aus wenigen fundamentalen Teilchen besteht und von vier fundamentalen Kräften beherrscht wird – der starken Kraft, der schwachen Kraft, der elektromagnetischen Kraft und der Gravitationskraft.

Tvong You sagte, dass der LHC helfen könnte, das Geheimnis der Dunklen Materie zu lösen. Aber schon jetzt vermuten Sie, dass dunkle Materie nichts mit den Teilchen sein wird, die wir aus dem Standardmodell kennen.

„Es muss sehr schwach interagieren. Es kann nicht mit Licht oder Elektromagnetismus interagieren. Es kann nicht mit der starken Kraft interagieren, und es kann durch die schwache Kraft interagieren, die Radioaktivität verursacht“, sagten Sie.

Wenn sich das wie ein Mysterium liest, sind Sie nicht allein. Wissenschaftler versuchen immer noch, es selbst herauszufinden.

Dunkle Materie wird an dem gemessen, was fehlt

Der Large Hardon Collider schlägt Partikel zusammen, um Kollisionen zu erzeugen. Die Kollisionen erzeugen Trümmer, die von Teilchendetektoren eingefangen werden.

Es ist genauso, als würden Sie zwei Äpfel zusammenschlagen, die Stücke werden in alle Richtungen spritzen und sich an Wänden und Boden verfangen. Diese Apfelstücke wären immer noch Obst, aber sie wären auch etwas anders geworden. Selbst wenn wir dann alle Apfelstücke einschließlich der Säfte sammeln würden, hätten wir theoretisch alle Stücke, um diese beiden ursprünglichen Äpfel zu rekonstruieren.

Und dasselbe gilt für Elementarteilchen. Wir brechen sie auf, teilen sie auf und sprühen sie gegen die LHC-Detektoren, und wenn wir sie wieder zusammensetzen, sollten wir in der Lage sein, alle Teile zu erklären, aus denen diese ursprünglichen Teilchen bestanden.

Aber wenn wir nach all dem feststellen, dass etwas fehlt … insbesondere fehlende Energie oder Masse, wie Energie auch genannt wird … Nun, wenn es um Teilchenphysik geht, neigen Wissenschaftler zu der Annahme, dass es etwas Dunkles geben muss, oder unsichtbar, Materie – Elemente, die wir nicht sehen können, die aber sehr wohl ein Teil des Ganzen sind.

Andre David ist Experimentalphysiker am CERN, der Teilchendetektoren baut und sagt, wenn nach einer Kollision Energie fehlt, ist es wahrscheinlich, dass diese Energie auf dunkle Materie übertragen wurde.

„Das Higgs-Boson interagiert mit allen anderen Elementen, die Masse haben. Und das muss auch die Dunkle Materie tun [also] Masse, um den Effekt zu erzielen, den wir in den Galaxien sehen“, sagte David.

Neue Theorien über dunkle Materie

Einige Wissenschaftler argumentieren, wenn es unsichtbare Kräfte im Universum gäbe, hätten wir sie bereits gefunden, und da wir diese Kräfte nicht entdeckt haben, schlagen sie vor, dass wir außerhalb des Standardmodells denken müssen.

Einer dieser Wissenschaftler ist der Physiker Mordechai Milgrom. Milgrom entwickelte eine alternative Gravitationstheorie, die darauf hindeutet, dass die Gravitationskraft in unterschiedlichen Entfernungen vom Kern einer Galaxie unterschiedlich wirkt.

Während Newtons Gravitationstheorie die meisten großräumigen Bewegungen im Kosmos erklärt, legt Milgroms modifizierte Newtonsche Dynamik nahe, dass sich eine Kraft anders verhält, wenn sie schwach ist, wie etwa am Rand einer Galaxie.

Befürworter der Theorie sagen, dass sie die Rotation von Galaxien und die Geschwindigkeit der Sterne besser vorhersagt als Newtons Theorie.

Aber wir wissen immer noch nicht, ob wir jemals dunkle Materie entdecken oder Milgroms modifizierte Newtonsche Dynamik beweisen werden. Was wir wissen, ist, dass unser Verständnis des Universums noch lange nicht vollständig ist.

Herausgegeben von: Zulfikar Abbany