Die dunkle Materie ist eine geheimnisvolle, nicht leuchtende Substanz, die den größten Teil der Materie im Universum ausmacht. Obwohl Experten die Gravitationswirkung der dunklen Materie seit Jahrzehnten beobachten, sind Wissenschaftler über ihre wahre Natur ratlos.

Wer entdeckte die dunkle Materie?

Im späten 19. Jahrhundert begannen Astronomen, über unsichtbare Materie zu spekulieren – entweder lichtschwache Sterne oder Gas und Staub, die im gesamten Universum verstreut sind. Forscher hatten sogar begonnen, seine Masse zu schätzen, wie eine 2018 in der Zeitschrift Reviews of Modern Physics veröffentlichte Studie zeigt. Die meisten gingen davon aus, dass diese mysteriöse Substanz einen geringen Anteil an der Gesamtmasse des Kosmos hat.

Erst 1933 bemerkte der schweizerisch-amerikanische Astronom Fritz Zwicky, dass sich ferne Galaxien viel schneller umeinander drehten, als es angesichts der in Teleskopen sichtbaren Materie möglich sein sollte. „Wenn sich dies bestätigen würde, kämen wir zu dem überraschenden Ergebnis, dass dunkle Materie in viel größerer Menge vorhanden ist als leuchtende Materie“, schrieb er in einem Aufsatz, der im selben Jahr in der Zeitschrift Helvetica Physica Acta veröffentlicht wurde.

Aber viele in der Fachwelt blieben skeptisch gegenüber Zwickys Ergebnissen, bis die Astronomen Kent Ford und Vera Rubin in den 1970er Jahren detaillierte Untersuchungen von Sternen in den äußeren Regionen der benachbarten Andromeda-Galaxie durchführten. Diese Sterne umkreisten den galaktischen Kern viel zu schnell, fast so, als ob ein unsichtbares Material gravitativ an ihnen zerrte und sie vor sich her trieb – eine Beobachtung, die Wissenschaftler bald in Galaxien im ganzen Universum machten.

Die Forscher hatten keine Ahnung, woraus diese unsichtbare Masse bestand, und einige Astronomen spekulierten, dass die dunkle Materie aus kleinen schwarzen Löchern oder anderen kompakten Objekten bestand, die zu wenig Licht abgaben, um in Teleskopen sichtbar zu sein. Noch seltsamer wurden die Ergebnisse in den 1990er Jahren, als ein Weltraumteleskop namens Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) zeigte, dass diese dunkle Materie die sichtbare Materie um das Fünffache übertraf, so die NASA.

Warum die dunkle Materie ein Rätsel bleibt

Teleskopuntersuchungen waren nie in der Lage, genügend kleine kompakte Objekte zu finden, um diese enorme Fülle an Material zu erklären. Die meisten modernen Astronomen gehen davon aus, dass die dunkle Materie wahrscheinlich aus subatomaren Teilchen besteht, die sich in ihren Eigenschaften von den bekannteren Protonen und Neutronen stark unterscheiden.

Der vorherrschende Kandidat für dunkle Materie wird als „Weakly Interacting Massive Particle“ oder WIMP bezeichnet. Diese spekulativen Gebilde sind im Standardmodell der Teilchenphysik, das fast alle Teilchen und Kräfte beschreibt, nicht enthalten. WIMPs würden eher dem geisterhaften Neutrino ähneln, mit dem Unterschied, dass es 10- bis 100-mal mehr wiegen würde als ein Proton. (Die genaue Masse von Neutrinos ist unbekannt, aber sie sind viel leichter als Elektronen).

Wie Neutrinos würden WIMPs nur mit zwei der vier Grundkräfte im Universum wechselwirken: Gravitation und die schwache Kernkraft, die den Zerfall radioaktiver Atomkerne vermittelt. Diese dunklen Materieteilchen wären elektrisch neutral, was bedeutet, dass sie nicht mit dem Elektromagnetismus, der Grundlage des Lichts, wechselwirken und daher unsichtbar bleiben würden.

Physiker haben riesige Detektoren gebaut und sie tief unter der Erde platziert, um sie vor störender kosmischer Strahlung zu schützen, um WIMPs aufzuspüren, aber bisher hat kein Experiment Beweise für sie geliefert. In den letzten Jahren hat dieser Misserfolg dazu geführt, dass sich einige Forscher fragen, ob sie sich auf eine wilde Teilchenjagd ohne wirkliches Ende begeben haben.

Einige Wissenschaftler richten daher ihre Aufmerksamkeit auf einen neueren Kandidaten für dunkle Materie, das so genannte Axion, das ein Millionstel oder sogar ein Milliardstel der Masse eines Elektrons hätte, wie die Proceedings of the National Academy of Science berichten. Diese hypothetischen Teilchen sind für die Forscher besonders attraktiv, weil sie auch ein anderes noch ungelöstes Problem in der Physik lösen könnten, indem sie möglicherweise mit Neutronen interagieren, um zu erklären, warum sie magnetische Felder spüren können, aber keine elektrischen.

Im Juni 2020 gaben die Mitglieder des XENON1T-Experiments am Gran Sasso National Laboratory in Italien, einem Detektor, der ursprünglich für den Versuch gebaut wurde, WIMPs einzufangen, bekannt, dass sie ein kleines, aber unerwartetes Signal gefunden hatten, das durch die Anwesenheit von Axionen erklärt werden könnte. Die Ergebnisse schockierten die wissenschaftliche Gemeinschaft, müssen aber noch durch andere Experimente bestätigt werden.

Ist dunkle Materie überhaupt real?

Das bedeutet, dass sich die Forscher immer noch den Kopf darüber zerbrechen, was dunkle Materie eigentlich ist. Einige Theoretiker fragen sich, ob es einen ganzen dunklen Sektor des Universums gibt, mit mehreren Teilchen und sogar dunklen Kräften, die sich nur auf die dunkle Materie auswirken, ähnlich wie die subatomare Komplexität im sichtbaren Kosmos.

Gleichzeitig glaubt eine Minderheit von Wissenschaftlern, dass die dunkle Materie eine Fata Morgana ist. Sie vertreten eine Idee, die als modifizierte Version der Trägheit (MOND) bekannt ist. Sie geht davon aus, dass die Schwerkraft in großen Maßstäben anders wirkt als erwartet und dies die beobachteten Rotationen von Sternen und Galaxien erklärt. Die meisten Experten sind jedoch nicht von der Notwendigkeit einer so radikalen Abweichung von der bekannten Physik überzeugt, die auch Änderungen an unserem Verständnis großer Teile der Realität erfordern würde.

Die dunkle Materie ist, soweit bekannt, nicht mit der dunklen Energie verbunden, einem anderen mysteriösen Phänomen, das für die Beschleunigung der Expansion des Kosmos verantwortlich ist. Die beiden haben lediglich das Wort „dunkel“ gemeinsam, das von Wissenschaftlern oft als Platzhalter für Dinge verwendet wird, die sie nicht ganz verstehen.