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Dunkle Materie


Physik


Basiswissen


Die Geschwindigkeit, mit der sich manche Sterne um das Zentrum ihrer Galaxie bewegen ist zu niedrig für die bekannten Formeln. Das lässt zwei Möglichkeiten zu: a) die bisherigen Formeln gelten dort nicht oder b) es gibt im Weltall für uns noch unerkannte Materie. Der zweite Fall ist hier besprochen.

Wie kam man auf die Idee Dunkler Materie?


Man kann genau berechnen, wie stark sich zwei Massen gegenseitig anziehen. Das entsprechende Naturgesetz dazu heißt Graviationsgesetz. Mit ihm kann man die Bewegung von Sternen in einer Galaxie berechnen. Dem Gesetz zufolge müssten sich die Planeten am Rand des Sonnensystems langsamer um die Sonne bewegen als die Planten näher an der Sonne. Und genau das ist auch der Fall. Die Beobachtungen der Astronomen passen exakt zu den Berechnungen der Physiker.

1.0 Mit Hilfe des Gravitationsgesetzes kann man die Bewegung von Himmelskörpern berechnen.

Wendet man das Gravitationsgesetz aber auf die Bewegung von Sternen innerhalb einer Galaxie an, versagt es: theoretisch müssen sich die Sterne am Rande der Galaxie langsamer um den Mittelpunkt der Galaxie bewegen als die Sterne in der Mitte. Das tun sie abe nicht. Sie bewegen sich mit einer sehr viel größeren Geschwindigkeit um die Mitte der Galaxie als die Theorie des Gravitationsgesetzes es vorhersagt[2].

2.0 Die Sterne am Rand einer Galaxie bewegen sich schneller als die Theorie der Gravitationskraft es vorhersagt.

Um diesen Widerspruch zwischen der Theorie des Gravitationskraft und den beobachteten Bewegung der Sterne zu erklären gibt es im Moment zwei Ansätze. Zum einen könnte das Gravitationsgesetz gerettet werden, wenn es im Weltraum unsichtbare Materie gäbe, die die Bewegung der Sterne am Rand einer Galaxie erklärt. Das ist die Idee der dunklen Materie.

3.0 Dunkle Materie am Rand der Galaxie könnte das Gravitationsgesetz retten.

Die Dunkle Materie wäre dabei für uns unsichtbar und vor allem im sogenannten Halo der Galaxien zu suchen, einem Bereich rund um die Galaxie[17]. Zum anderen könnte man auch das Gravitationsgesetz in Frage stellen. Auch das wird getan[4].

Was ist an der Dunklen Materie dunkel?


Materie im Sinne der Physik ist alles, was man in Kilogramm wiegen kann: Holz, Eisen, Luft, Wasser: das alles besteht aus Materie. In einem dunklen Raum ist auch Holz dunkel. Man würde es aber nicht "dunkle Materie" nennen. Denn theoretisch könnte man den Raum erleuchten und dann würde man das Holze sehen.

4.0 Dunkle Materie zeigt vermutlich keine Wechselwirkung mit Licht.

Auch Planeten an sich leuchten nicht, erst wenn das Licht einer Sonne auf sie fällt werden sie sichtbar. Auch dort würde man nicht von dunkler Materie sprechen. Die Dunkle Materie heißt dunkel, weil sie möglicherweise keinerlei Wechselwirkung mit Licht eingeht[5]. Wenn sie aber mit Licht nicht wechselwirkt, dann kann sie auch mit optischen Instrumenten nicht beobachtet werden. Sie ist dann im eigentlichen Sinn des Wortes unsichtbar.

Wie viel dunkle Materie gibt es?


Um die Bewegungen der Himmelskörper mit Hilfe einer Dunklen Materie zu erklären, müsste der Kosmos aus rund 20 % Dunkler Materie und nur zu rund 5 % aus sichtbarer klassischer Materie bestehen. Die restlichen 75 % wären dann die sogenannte Dunkle Energie[6].

5.0 Es könnte wesentlich mehr Dunkle Materie als klassisch sichtbare Materie geben.

Man muss sich bei solchen Abschätzungen aber immer bewusst halten, dass die Dunkle Materie noch nie nachgewiesen wurde. Sie ist zurzeit eine Hypothese.

Die Dunkle Materie als Sackgasse der Astronomie?


In der Geschichte der Wissenschaft gibt es einige Beispiele für hypothetische Stoffe oder Materie, die man später wieder verworfen hat[9]. So glaubte man bis ins späte 18te Jahrhundert zum Beispiel an besondere Brenn- und Wärmestoffe und gab ihnen Namen wie Phlogiston[7] oder Caloricum[8]. Ein anderes Beispiel ist der sogenannte Lichtäther. Seit dem 17ten Jahrhundert nahm an, dass Licht eine Art Welle sein könnte. Wellen aber benötigen ein Medium, einen Stoff, in dem sie sich ausbreiten. Eine Wasserwelle benötigt Wasser, eine Schallwelle benötigt Luft zur Ausbreitung. Der hypothetische Stoff für die Lichtwelle war der Lichtäther[10]. Aber auch diese Vorstellung musste später fallen gelassen werden[11].

6.0 Die Dunkle Materie könnte wie das Caloricum oder der Äther ein Irrweg der Forschung sein.

Die Dunkle Materie ist ein sogenannten Postulat[12], das heißt, eine Annahme, die man macht, um etwas anderes erklären zu können. Was die Dunkle Materie vor allem erklären soll ist die Tatsache, dass Sterne am Rande einer Galaxie zu schnell um deren Zentrum rotieren, als dass es die heute bekannten Gesetze der Gravitation erlauben.

Gibt es Alternativen zur Theorie der Dunklen Materie?


Ja, für die Tatsache, dass die Sterne am Rande von Galaxien zu schnell sind als dass Newtons und Einsteins Gesetze der Gravitation alleine gelten, wird zum Beispiel vorgeschlagen, dass die Gravitationskraft nicht quadratisch mit der Entfernung abnimmt. Newtons Gravitationsgesetz müsste dann abgeändert werden[13]. Aber sogar die Idee, dass die Bewegung der Sterne auf eine bewusste Willensregung der Himmelskörper selbst zurückzuführen sei, wurde vorgeschlagen[14].

7.0 Abgeänderte Versionen des Gravitationsgesetzes aber auch die Beseeltheit von Himmelskörpern wurden als Alternativen zur Dunklen Materie vorgeschlagen.

Tatsächlich aber verfolgen die meisten Physiker und Astronomen die Spur der Dunklen Materie weiter. Sie könnte als WIMP[15] feinverteilt, ähnlich dem Lichtäther, im Weltraum vorliegen oder in großen unsichtbaren Objekten, den MACHOS[16] geballt sein.

Fußnoten




Sterne auf ihrem Weg rund um das Zentrum der Galaxis: auf der x-Achse steht ihre Entfernung vom Mittelpunkt, auf der y-Achse ihre berechnet (blau, unten) und ihre tatsächlich beobachtete (rot, oben) Geschwindigkeit: für die bisher bekannten Formeln sind sie deutlich zu schnell. Johannes Schneider (Wikimedia)