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PHYSIK GIBT ES DIE DUNKLE MATERIE WIRKLICH?


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 9/2019 vom 17.08.2019

Astronomen erklären mehrere rätselhafte Phänomene mit hypothetischen Teilchen, die trotz intensiver Suche bisher in keinem Experiment entdeckt wurden. Falls sie nicht existieren, funktioniert die Gravitation auf galaktischen Skalen wohl anders als gedacht.


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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 9/2019

Galaxien wie die hier abgebildete Spiralgalaxie Messier 74 rotieren meist anders, als allein auf Grund ihrer sichtbaren Materie zu erwarten wäre.


NASA, ESA, AND THE HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA)-ESA/HUBBLE COLLABORATION (HUBBLESITE.ORG/IMAGE/2210)

Sabine Hossenfelder ist theoretische Physikerin am Frankfurt Institute for Advanced Studies und erforscht ...

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Sabine Hossenfelder ist theoretische Physikerin am Frankfurt Institute for Advanced Studies und erforscht Physik jenseits des Standardmodells. Sie bloggt unter http://backreaction.blogspot.com und ist Autorin des Buchs »Das hässliche Universum « (S. Fischer, 2018).Stacy S. McGaugh ist Astrophysiker an der Case Western Reserve University. Er untersucht besondere Galaxien, die sich gut für Tests von Alternativen zur Dunklen Materie eignen.

► spektrum.de/artikel/1661442

► Das größte Geheimnis der Sterne ist heute nicht mehr die Frage, warum sie leuchten, sondern warum sie sich so bewegen, wie sie es tun. Das Problem tauchte erstmals vor fast einem Jahrhundert auf: In den 1930er Jahren beobachtete der Schweizer Astronom Fritz Zwicky in einem Galaxienhaufen, dass einige der darin enthaltenen etwa 1000 Galaxien den gemeinsamen Schwerpunkt überraschend schnell umkreisen. Selbst großzügige Abschätzungen der einzelnen Massen lieferten nicht genug Gravitation, um das Verhalten zu erklären. Zwicky vermutete, eine unsichtbare Dunkle Materie müsse das System beeinflussen.

In den 1970er Jahren entdeckte die US-Astronomin Vera Rubin das gleiche Phänomen innerhalb einzelner Galaxien. Die Geschwindigkeiten der Sterne weit außerhalb des Zentrums blieben ungefähr so groß wie diejenigen der weiter innen gelegenen. Astronomen hatten erwartet, dass entferntere Sterne sich verlangsamen würden, weil dort geringere Anziehungskräfte herrschen. Auch hier reichte die sichtbare Masse nicht aus, um die Beobachtungen zu erklären. Rubin kam zu dem Schluss, in Galaxien müsse es ebenfalls die mysteriöse Dunkle Materie geben.

Seitdem haben sich noch mehr Hinweise darauf angesammelt, dass Astronomen irgendetwas übersehen. Zu den Indizien gehört erstens das Muster der winzigen Temperaturschwankungen in der so genannten kosmischen Hintergrundstrahlung, zweitens die Ablenkung des Lichts weit entfernter Quellen durch Galaxien und Galaxienhaufen sowie drittens die Art und Weise, wie sich Strukturen im Lauf der Entwicklung des Kosmos herausgebildet haben. Die Phänomene lassen sich auf Basis der bekannten Naturgesetze nicht allein mit normaler Materie erklären.

Die gängigste Hypothese fußt darum seit mehreren Jahrzehnten auf unsichtbaren Teilchen – unsichtbar, weil sie nicht mit Licht wechselwirken, sondern sich nur über ihre Schwerkraft verraten. Die Erklärung mittels Dunkler Materie ziehen die meisten Astronomen der denkbaren Alternative vor, die lautet: Wir haben die richtigen Teilchen bereits beisammen, beschreiben sie aber mit den falschen Gravitationsgesetzen. Vor 30 Jahren war die Haltung gut begründet. Die Idee der Dunklen Materie schien naheliegend, weil Physiker damals ohnehin reichlich Anlass hatten, an die Existenz neuer Teilchen zu glauben. In den 1950er und 1960er Jahren wurde ihnen klar, dass Protonen, Neutronen und Elektronen nicht die einzigen subatomaren Objekte sind. Im Lauf der darauf folgenden Jahrzehnte tauchten alle möglichen neuen Teilchen in Beschleunigern auf. Sie wurden zur Grundlage des so genannten Standardmodells und inspirierten Theoretiker zugleich zu dessen möglichen Erweiterungen.

So spekulierten Physiker während ihrer Versuche, die fundamentalen Kräfte der Natur zu vereinen, auf eine Reihe noch zu entdeckender Partikel. Insbesondere das in den 1970er Jahren entwickelte Konzept der Supersymmetrie postulierte für jedes bekannte Teilchen im Universum einen Spiegelpartner. Einige der hypothetischen Objekte wären Kandidaten für die Dunkle Materie. Als weiterer Anwärter tat sich das so genannte Axion hervor, das ursprünglich erfunden wurde, um den Wert eines bestimmten Parameters im Standardmodell zu erklären (siehe »Eine Falle für Axionen«,Spektrum März 2019, S. 12).

Erfolglose Suchkampagnen und hartnäckige Probleme machen Alternativen wieder attraktiv
Doch nachdem sich drei Jahrzehnte lang keines der Teilchen bei Experimenten hat blicken lassen, ist es vielleicht an der Zeit, sich alternativen Hypothesen zuzuwenden. Zumal sich die Dunkle Materie mit einigen astrophysikalischen Daten nicht vereinbaren lässt, die von einem von uns (Stacy McGaugh) sowie anderen Wissenschaftlern gesammelt und analysiert worden sind. Außerdem bleiben einige alte Probleme des Paradigmas der Dunklen Materie hartnäckig bestehen, trotz aller zwischenzeitlich unternommenen Lösungsversuche.

Anstatt dem Universum unsichtbare Teilchen hinzuzufügen, um den Galaxien die für ihre Bewegungen nötige zusätzliche Schwerkraft zu verleihen, könnten wir also bei den bekannten Teilchen bleiben, aber die Kraft verändern, die sie aufeinander ausüben. Solche Modelle werden als modifizierte Gravitationstheorien bezeichnet und haben bisher eine Außenseiterrolle eingenommen.

1983 hat der israelische Physiker Mordehai Milgrom erstmals seine »modifizierte newtonsche Dynamik« (MOND) vorgestellt. Bei diesem Gravitationsgesetz ändern sich die mathematischen Regeln, die Masse und Schwerkraft verknüpfen. Das sind in den meisten, nicht allzu extremen Situationen Newtons bekannte Gleichungen: Die Stärke der Anziehung zwischen zwei Objekten hängt von ihrer Masse ab und sinkt mit dem Quadrat ihres Abstands. Auf so eine Beziehung trifft man überall in der Physik. Vergleichbares gilt etwa bei der Schallausbreitung oder bei Formeln, die beschreiben, wie die Intensität von Strahlung im Raum abnimmt. Möglicherweise folgt die Schwerkraft nicht immer dem quadratischen Abstandsgesetz. Was passiert, wenn die Gleichungen unter bestimmten Umständen angepasst werden müssen?

Milgroms modifizierte newtonsche Dynamik basierte in ihrer ersten Form allein auf Newtons Gesetzen. Genau genommen ist Gravitation aber gar keine Kraft, sondern laut Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie eine Folge der Krümmung des Gefüges von Raum und Zeit. Das war vermutlich einer der Hauptgründe, warum viele Physiker die MOND-Idee anfangs nicht ernst nahmen. Inzwischen haben Theoretiker allerdings Strategien entwickelt, mit denen sie MOND mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar machen. Um zu beschreiben, wie die Wirkung der Gravitation aus der Masse hervorgeht, verwendet jeder der modernen Ansätze verschiedene Arten von Feldern. Sie alle verhalten sich leicht unterschiedlich.

Darum ist das, was wir hier unter der Bezeichnung modifizierte Gravitation zusammenfassen, eigentlich eine Gesamtschau von rund zehn Modellen. Trotz dieser Vielfalt ist es aus theoretischer Sicht nicht gerechtfertigt, sie pauschal abzulehnen. Ein weiterer häufiger Einwand gegen die modifizierte Gravitation ist ihre aus der Sicht der Teilchenphysik unelegante mathematische Form. Sie ist ungewohnt und schwieriger zu handhaben als die Modelle mit Dunkle-Materie-Teilchen. Letztere lassen sich mit Standardtechniken beschreiben, denen jeder Physiker in den Grundzügen bereits im Studium begegnet. Diese Faktoren mögen erklären, warum die Idee unbeliebt ist, aber sie sind rein wissenschaftlich gesehen kein Argument dagegen.

Dennoch ist bislang der Löwenanteil der Arbeit, um die astronomischen Befunde zu erklären, in die Suche nach Dunkler Materie geflossen. Seit Mitte der 1980er Jahre haben etliche Projekte den hypothetischen Wechselwirkungen zwischen normaler und Dunkler Materie nachgespürt. Die Experimente bestehen beispielsweise aus riesigen, mit flüssigen Edelgasen gefüllten Tanks oder sorgfältig aufbereiteten Festkörpern bei extrem niedrigen Temperaturen in gut abgeschirmten Umgebungen in alten Minen tief unter der Erde, um die Fehlsignale von kosmischer Strahlung zu reduzieren. Extrem empfindliche Detektoren harren geduldig der verräterischen Anzeichen einer Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie einerseits und andererseits einem Atomkern im flüssigen oder festen Zielmedium. Bis heute vergeblich. An keiner der Einrichtungen ist ein Teilchen aufgetaucht – sei es am spezialisierten XENON1T im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien, wo Forscher nach einer bestimmten Variante namens WIMP suchen, oder am Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf, das jenseits des erwarteten Higgs-Bosons keine neuartigen Teilchen erzeugt hat.

Freilich schließen diese Negativergebnisse die Dunkle Materie nicht vollends aus. Die Theorien dazu sind mit der Zeit immer ausgefeilter, um nicht zu sagen künstlich geworden. Um die Modelle mit den experimentellen Resultaten zu vereinbaren, gehen Physiker inzwischen davon aus, dass die Teilchen noch weniger mit der normalen Materie wechselwirken als ursprünglich angenommen. Einige Forscher vermuten zusätzlich zu den ursprünglich postulierten Partikeln neue Kräfte und weitere Arten von Materie. In der wissenschaftlichen Literatur wird die Menge unbekannter, hypothetischer Bestandteile des Kosmos mittlerweile mit einem eigenen Sammelbegriff als »verborgener Sektor« bezeichnet.

Dunkle Materie ist flexibel – vielleicht zu sehr
Solange es keine direkten Beweise für neue Teilchen gibt, sollten wir uns fragen, wie gut die Theorien der Dunklen Materie beziehungsweise der modifizierten Gravitation die bisherigen Beobachtungen erklären. Insgesamt beschreibt die dominierende Hypothese, das Universum enthalte etwa fünfmal so viel Dunkle Materie wie normale, den Kosmos um uns herum recht gut. Zwar können die mikroskopischen Eigenschaften der Dunklen Materie kompliziert sein, aber sie lässt sich in großen Ansammlungen auf galaktischen Skalen mit einfachen Gleichungen beschreiben. Formal können wir die Dunkle Materie als eine Flüssigkeit ohne inneren Druck betrachten. Dafür brauchen wir nur eine Variable, nämlich die durchschnittliche Dichte der Teilchen im Raum.

Eine solche mathematische Behandlung reicht bereits aus, um die beobachteten Muster in der kosmischen Hintergrundstrahlung zu reproduzieren, die kurz nach dem Urknall entstanden ist. Auch bei der nachfolgenden Bildung großer kosmischer Strukturen funktioniert das Prinzip. Als sich das heiße, junge Universum ausdehnte und langsam abkühlte, konnte die Dunkle Materie keinen inneren Druck aufbauen. Deswegen ist sie unter dem Sog der Schwerkraft schneller verklumpt. In den so entstandenen Dunkle-Materie-Wolken hat sich die normale Materie erst später gesammelt und Galaxien gebildet. Das Szenario passt gut zu einigen Beobachtungen.

Die Dunkle Materie erklärt außerdem die Bewegungen der Sterne innerhalb der Galaxien, je nachdem, wie man sie darin verteilt. Ähnliches gilt für Galaxienhaufen. Theoretiker können die Dunkle Materie bedarfsgerecht relativ frei einsetzen und auf diese Weise alle Beobachtungen mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie in Einklang bringen. Die Flexibilität der Dunklen Materie ist allerdings zugleich ihr größter Makel. Keine zwei Galaxien sind gleich, denn jede hat ihre eigene Entstehungsgeschichte. Einige kleinere Exemplare sind in jungem Alter kollidiert und haben größere gebildet. Andere nicht. Manche enden als flache, rotierende Scheiben, manche als aufgeblähte, elliptische Gebilde. Mal fängt die Dunkle Materie mit ihrer Anziehungskraft viel normale Materie ein, mal nicht. Auf Grund dieser Vielfalt sollte sich das Verhältnis von Dunkler zu normaler Materie von Galaxie zu Galaxie unterscheiden. Doch die Daten sprechen eine andere Sprache.

Einer von uns (McGaugh) führte mit Kollegen 2016 Tausende von Messungen an mehr als 150 Galaxien durch. Beim Vergleich der Gravitationskraft, die man allein auf Basis der sichtbaren Materie erwarten sollte, mit der beobachteten, die ja aus der Kombination von Dunkler Materie und normaler Materie resultieren sollte, gab es überraschenderweise eine starke Korrelation. Tatsächlich lassen sich beide sogar mittels einer einfachen Gleichung verknüpfen, und die individuellen Abweichungen sind sehr gering (siehe »Problematischer Befund für die Dunkle Materie«, S. 56).

Diese Korrelation ist mit Computersimulationen, welche die beiden Materiearten als unabhängige Komponenten behandeln, nur schwer reproduzierbar. Dafür müssen Wissenschaftler viele Parameter sorgfältig aufeinander abstimmen. Im Gegensatz dazu ergibt sich der Zusammenhang aus der modifizierten Gravitation direkt: Weil das Szenario eben nur eine Art von Materie kennt, folgt die insgesamt ausgeübte Gravitation auf eindeutige Weise aus der sichtbaren Materie. Milgrom hat eine solche Beobachtung bereits in den frühen 1980er Jahren vorhergesagt.

Exotische Galaxien erfordern ungewöhnliche Erklärungen
Die Dunkle Materie macht noch in anderen Bereichen Probleme, zum Beispiel bei so genannten Low Surface Brightness Galaxies (kurz LSBs, englisch für Galaxien mit geringer Oberflächenhelligkeit). Bei diesen leuchtschwachen Galaxien ist die sichtbare Materie dünner verteilt als bei Exemplaren wie der Milchstraße.

Die Hypothese der Dunklen Materie führte ursprünglich zu der Annahme, dass Galaxien mit geringer Oberflächenhelligkeit – also wenig sichtbarer Materie – zudem wenig Dunkle Materie enthalten sollten. Sterne, die in großen Entfernungen vom galaktischen Zentrum kreisen, müssten sich hier langsamer bewegen als in normalen Galaxien gleicher Größe, da die Sterne auf ihren Bahnen insgesamt von weniger Masse beschleunigt werden. Die Erwartung erwies sich als falsch. Laut Beobachtungsdaten bewegen sich die äußeren Sterne in den ungewöhnlichen Galaxien genauso schnell wie in normalen. Das deutet darauf hin, dass in LSBs trotz spärlich verteilter Sterne tatsächlich ziemlich viel Materie steckt. Deswegen muss das Verhältnis von Dunkler Materie zu normaler deutlich höher sein als ursprünglich erwartet. Aber warum?

Ursprünglich bot das Modell der Dunklen Materie keine Antwort. Theoretiker fanden dennoch Wege, die seltsame Situation zu erklären. Dazu mussten sie die Menge der Dunklen Materie in jeder Galaxie und die Oberflächenhelligkeit der Sterne fein aufeinander abstimmen: je leuchtschwächer das System, desto mehr Dunkle Materie. Das funktioniert nur mit Hilfe eines Mechanismus, der die Galaxien von der sichtbaren Materie befreit, noch während sie sich bilden. Dann verschiebt sich das Verhältnis zu Gunsten der Dunklen Materie. Die derzeit beliebteste Methode ist es, den Computersimulationen »stellares Feedback « hinzuzufügen. Der Begriff bezeichnet einen Effekt, bei dem massereiche Sterne das Gas in ihrer Umgebung intensiver Strahlung aussetzen, starke Sternwinde erzeugen und schließlich als Supernova explodieren. So blasen sie Materie aus den Galaxien hinaus. Die nur schwach wechselwirkende Dunkle Materie ist davon kaum betroffen. Galaxien mit vielen Supernovae bekämen daher irgendwann einen Überschuss an Dunkler Materie.

Stellares Feedback spielt zwar eine wichtige Rolle bei der Bildung von Sternen und Sternhaufen, doch seine Bedeutung für die Entstehung von Galaxien ist weniger klar. Um das Problem bei LSBs zu lösen, müssen die Supernovae ihre Energie fast vollständig in das Hinausschleudern der Materie aus den Galaxien stecken. Ein derart hoher Wirkungsgrad ist für einen natürlichen Vorgang nicht plausibel.

Galaxien mit geringer Oberflächenhelligkeit sind aber bei Weitem nicht der einzige Fallstrick für die Dunkle Materie. Eine Auswahl der größten Unstimmigkeiten: Theoretisch wäre mit ihr zu erwarten, dass die Konzentration der Materiedichte in den Galaxienkernen einen ausgeprägten Spitzenwert aufweist. Doch so etwas messen Astronomen nicht. Auch die Anzahl von Zwerggalaxien sollte höher sein als beobachtet; außerdem stimmt die Art und Weise, wie sich Galaxien und ihre Begleiter in einer Ebene ausrichten, nicht mit den Vorhersagen überein. Modifizierte Gravitation schneidet hier überall besser ab.

Vor allem das Fehlen von Dichtespitzen in galaktischen Kernen passt so schlecht zur Theorie der Dunklen Materie, dass viele Astrophysiker die Daten zu Beginn grundsätzlich anzweifelten. Zunächst behaupteten sie, die Auflösung der Messungen sei unzureichend. Als zusätzliche Erhebungen den Kritikpunkt obsolet machten, gaben sie anderen systematischen Fehlern die Schuld. Aber nach zahlreichen weiteren Beobachtungen durch verschiedene Arbeitsgruppen bleibt die Schlussfolgerung: Die Dunkle Materie erklärt ziemlich schlecht, was sich in den Zentren der Galaxien abspielt.

Die Einbeziehung von stellaren Rückkopplungen und anderen astrophysikalischen Effekten bei Computersimulationen mindert die Probleme. Mit den zusätzlichen Prozessen fügen die Forscher ihren Simulationen weitere Parameter hinzu. Die größere Zahl von Einstellmöglichkeiten erleichtert es, virtuelle Galaxien zu erzeugen, die den real beobachteten ähneln. Die so produzierten Galaxien spiegeln dann auch die beobachtete Korrelation zwischen der Menge an Dunkler und normaler Materie wider. Die Computersimulationen lassen jedoch keinen eigentlichen Grund für die Entstehung dieses Zusammenhangs erkennen.

Die modifizierte Gravitation kann im Gegensatz zu Simulationen mit Dunkler Materie obendrein erklären, wie sich kleine Galaxien im Schwerefeld größerer Galaxien verhalten. Die Berechnungen sagten erfolgreich vorher, wie diverse jüngst entdeckte Zwerggalaxien um unseren nächsten großen Nachbarn wirbeln, die Andromedagalaxie. Die Zwerggalaxien unterliegen einer Anziehungskraft, die stärker ist als ihre innere Schwerkraft. In einer solchen Situation prognostiziert die modifizierte Gravitation ein anderes Verhalten als bei isolierten Zwerggalaxien, und die Vorhersage stimmt mit den Beobachtungen überein. Um den Aspekt hingegen mit der Dunklen Materie zu vereinbaren, brauchen die Computersimulationen weitere ergänzende Annahmen.

Im Kosmos gewinnt Dunkle Materie, in Galaxien modifizierte Gravitation – kann beides stimmen?
Trotz solcher Erfolge bereitet die modifizierte Gravitation bei anderen Vorhersagen ernsthafte Probleme. Obwohl sie über eine große Bandbreite verschiedener Galaxientypen funktioniert, kann sie die Bewegung von Galaxienhaufen nicht gut erklären. Um das Verhalten des Kosmos als Ganzes nachzuvollziehen, ist sie sogar völlig ungeeignet. Hier funktioniert die Dunkle Materie besser. Sie beschreibt die Eigenschaften des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und die Verteilung der Galaxien im gesamten Universum, wo die modifizierte Gravitation versagt. Doch Letztere völlig zu ignorieren, bloß weil sie in diesen Situationen nicht funktioniert, wäre unangemessen. Schließlich liefert das Modell woanders erfolgreich Vorhersagen, selbst wenn wir nicht verstehen, weshalb.

Sowohl die Dunkle Materie als auch die modifizierte Gravitation haben also Vor- und Nachteile. Einige neuere theoretische Entwicklungen deuten darauf hin, dass die Wahrheit vielleicht dazwischenliegt: eine besondere Form Dunkle Materie, die sich unter gewissen Umständen als modifizierte Gravitation verkleidet.

2015 fand ein Team um Justin Khoury von der University of Pennsylvania heraus, dass einige Arten von Dunkler Materie »suprafluid« werden könnten. Das heißt, sie fließen auf Grund von Quanteneffekten ohne jede innere Reibung. Wenn sich diese Form Dunkler Materie in Galaxien sammelt, kann sie zur Supraflüssigkeit werden und als solche eine Kraft mit großer Reichweite hervorrufen, die der modifizierten Gravitation ähnelt.

Khourys Hypothese zufolge stammt der größte Teil des Effekts, den Physiker bisher der Dunklen Materie zuordnen, gar nicht von der Gravitation selbst, obwohl das Suprafluid ebenso eigene Schwerkraft ausübt. Vielmehr wechselwirkt die Supraflüssigkeit mit der normalen Materie auf eine andere Weise. Das Phänomen würde erklären, wieso die Kraft, die in Galaxien offenbar auf die normale Materie wirkt, nicht gut mit Gravitation zu erklären ist – sie wird gar nicht durch Gravitation verursacht. Die Vorstellung von einer Supraflüssigkeit beantwortet zudem die Frage, warum die modifizierte Gravitation für Galaxienhaufen nicht mehr gut funktioniert. In ihnen ist die Schwerkraft in den meisten Bereichen nicht stark genug, um die Teilchen in den suprafluiden Zustand zu bringen. In diesen Situationen verhalten sie sich wie eine normale Flüssigkeit, das heißt wie Dunkle Materie.

Eine von uns (Sabine Hossenfelder) stellte zufällig fest: Das Konzept einer Supraflüssigkeit passt zu einer anderen Forschungsrichtung, deren Pionier Erik Verlinde von der Universität Amsterdam ist. Verlinde argumentiert mit Hilfe von Konzepten aus der Stringtheorie, dass der Anschein, das Universum enthielte mehr Materie, als wir sehen können, eine Illusion ist. Sie entstehe durch die Reaktion des Raums auf die Anwesenheit von Masse. Zwar scheint der Ansatz zunächst etwas völlig anderes zu sein als Khourys Hypothese einer Supraflüssigkeit, doch die entscheidende Gleichung ist in beiden Fällen fast identisch. Das Forschungsfeld ist noch jung und könnte sich als Sackgasse erweisen. Aber es zeigt exemplarisch, wie ein genauerer Blick auf die modifizierte Gravitation helfen könnte, die gegenwärtige Stagnation auf der Suche nach Dunkler Materie zu überwinden.

Neue Messdaten dürften bald mehr Licht in die Angelegenheit bringen. Klassische Dunkle Materie, modifizierte Gravitation und suprafluide Dunkle Materie liefern unterschiedliche Vorhersagen für Galaxien mit geringer Oberflächenhelligkeit. Himmelsdurchmusterungen wie der 2013 begonnene Dark Energy Survey (siehe »Das dunkelste Geheimnis«,Spektrum September 2016, S. 18) halten nach solchen Galaxien Ausschau, und das Large Synoptic Survey Telescope in Chile wird wohl Hunderte von ihnen ins Visier nehmen, sobald es Anfang der 2020er Jahre den Betrieb aufnimmt.

Die Theorien unterscheiden sich außerdem hinsichtlich des frühen Universums und seinen ersten Galaxien. Diese sollten mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA beobachtbar werden, das voraussichtlich im kommenden Jahrzehnt starten wird. Zukünftige Radioteleskope dürften sogar Signale aus noch früheren Epochen des Kosmos empfangen.

Dazu kommt das neue Feld der Gravitationswellenastronomie. Das LIGO-Observatorium hat bereits Gravitationswellen nicht nur von den Kollisionen diverser Schwarzer Löcher erfasst, sondern sogar von Neutronensternen. Von einem solchen Ereignis ist zudem Licht in verschiedenen Wellenlängen ausgegangen, das herkömmliche Teleskope unmittelbar danach detektieren konnten (siehe »Das Raumzeitbeben von NGC 4993«,Spektrum Januar 2018, S. 58). Die Daten zeigten mit hoher Präzision, dass sich Gravitationswellen mit derselben Geschwindigkeit wie Licht fortbewegen. Dieser Befund hat einige, aber nicht alle Varianten der modifizierten Gravitation ausgeschlossen.

Derzeit beschäftigen sich lediglich ein paar Dutzend Theoretiker mit der modifizierten Gravitation, während Tausende von Wissenschaftlern nach Dunkler Materie suchen. Eventuell irren sich Erstere, doch unter Umständen strengt sich die Forschergemeinschaft auch nicht genug an, um alle Optionen zu berücksichtigen. Das Universum hat uns schon einige Male auf dem falschen Fuß erwischt; wir sollten den Überraschungen, die sich in zukünftigen Daten offenbaren könnten, möglichst gut vorbereitet und vorurteilsfrei begegnen.

QUELLEN

Berezhiani, L., Khoury, J.: Theory of dark matter superfluidity. Physical Review D 92, 2015

Hossenfelder, S.: Covariant version of Verlinde’s emergent gravity. Physical Review D 95, 2017

McGaugh, S. S. et al.: Radial acceleration relation in rotationally supported galaxies. Physical Review Letters 117, 2016

WEBLINK

www.youtube.com/watch?v=2VNcDoLNJk8

Autorin Sabine Hossenfelder erklärt im Video den Zusammenhang zwischen veränderten Gleichungen für die Gravitationskraft und den Bewegungen in Galaxien (englisch, deutsche Untertitel zuschaltbar).

AUF EINEN BLICK RÜCKKEHR EINES AUSSENSEITERS

1 Astronomen haben aus der unerklärlichen Bewegung von Sternen in Galaxien auf eine neue Art von Teilchen geschlossen. Diese dürften mit klassischer Materie fast nur über die Schwerkraft wechselwirken.

2 Doch noch gibt es keinen direkten Nachweis der »Dunklen Materie«. Zudem lassen sich einige jüngere Beobachtungen nicht damit vereinbaren.

3 Mit alternativen Modellen untersuchen Physiker, ob stattdessen die Gravitation auf verschiedenen Skalen anders funktioniert. Solche Ideen haben bisher nur eine Nebenrolle gespielt – vielleicht zu Unrecht.

Dunkle Materie und modifizierte Gravitation

Die sichtbare Materie allein reicht nicht aus, um auf Basis der bekannten Naturgesetze die Bewegungen von Sternen und Galaxien zu beschreiben. Astronomen erklären die fehlende Masse durch Dunkle Materie aus noch unbekannten Teilchen. Diese sind allerdings bisher in keinem Experiment aufgetaucht. Einige Forscher fragen sich deswegen, ob stattdessen vielleicht die Gravitationstheorie modifiziert werden muss.

Im Modell der Dunklen Materie ist das All von bislang nicht detektierbaren Teilchen erfüllt, deren Masse die herkömmliche Materie deutlich überwiegt. Sie soll sich beispielsweise um jede Galaxie in Form eines »Halo« (links, türkisfarbene Wolke) sammeln und so gerade genug Masse beitragen, um mit ihrer Anziehungskraft die weiter außen gelegenen Sterne auf die real gemessenen Geschwindigkeiten zu beschleunigen.

Falls Dunkle Materie nicht existiert (rechts), würde die Gravitation auf die Sterne am Rand von Galaxien nach anderen Regeln wirken. Dann gäbe es nichts außer den bereits bekannten Objekten. Um dennoch ihre beobachteten Bewegungen zu erklären, müssten Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie überarbeitet werden.

LYNETTE COOK / SCIENTIFIC AMERICAN AUGUST 2018

Galaktischer Ausreißer

Der »Bullet Cluster« besteht aus zwei Galaxienhaufen, die vor langer Zeit zusammengestoßen sind. Es war ein seltener Fall eines schnellen Frontalaufpralls. Aufnahmen im sichtbaren und Röntgenlicht (rot) sowie Messungen der von der Gravitation abgelenkten Strahlung (blau) zeigen: In jedem der beiden Haufen sind der Schwerpunkt der Gesamtmaterie einerseits und derjenige der sichtbaren Materie andererseits gegeneinander verschoben.

Deswegen wird der Bullet Cluster oft als ein Beleg für die Existenz der Dunklen Materie herangezogen. Da Letztere viel schwächer als die normale Materie mit sich selbst wechselwirkt, hätte die Kollision – grob vereinfacht – dazu geführt, dass die beiden ursprünglichen Wolken aus Dunkler Materie aneinander vorbeigezogen sind, während sich die Ansammlungen aus sichtbarer Materie gegenseitig gebremst haben.

Allerdings kann der Punkt, an dem sich die Schwerkraft konzentriert, auch in der modifizierten Gravitation gegenüber der normalen Masse verschoben sein. Das liegt daran, dass im Rahmen dieses Modells alle Kräfte von einer speziellen Art von Teilchen mit eigenen dynamischen Gesetzen übertragen werden. Wenn man deren mögliche Auswirkungen in der modifizierten Gravitation berücksichtigt, kann sie ebenfalls vorhersagen, was wir im Bullet Cluster sehen.

Noch wichtiger ist jedoch, dass der Bullet Cluster ein Extremereignis und ein statistischer Ausreißer ist. Seine bloße Existenz ist weder mit der Dunklen Materie noch mit der modifizierten Schwerkraft leicht zu erklären. Ihn als Beweis für oder gegen einen der beiden Ansätze zu verwenden, läuft immer darauf hinaus, alle Parameter gerade so zu wählen, dass sie die eigenen Vorlieben bestätigen.

Mehr Wissen auf

X-RAY: NASA/CXC/UVIC./A.MAHDAVI ET AL.; OPTICAL/LENSING: CFHT/UVIC./A.MAHDAVI ET AL.

Spektrum.de

Unser Online-Dossier zum Thema finden Sie unterspektrum.de/t/dunkle-materie

Problematischer Befund für die Dunkle Materie

Bei einer Untersuchung der Sternbewegungen in 153 unterschiedlichen Galaxien stellte sich 2016 heraus: Die Gesamtgravitation ist zur Gravitationswirkung der normalen Materie proportional. Ein so direkter Zusammenhang passt nicht zum Ansatz der Dunklen Materie. Deren Menge sollte angesichts der vielfältigen Formen und Zusammensetzungen von Galaxien nicht allein von der sichtbaren Materie abhängen. Mit Modellen der modifizierten Gravitation lässt sich der Verlauf jedoch gut erklären.

JEN CHRISTIANSEN, NACH MCGAUGH, S. ET AL.: THE RADIAL ACCELERATION RELATION IN ROTATIONALLY SUPPORTED GALAXIES. PHYSICAL REVIEW LETTERS 117, 201101, 2016, FIG. 3 / SCIENTIFIC AMERICAN AUGUST 2018


RÖNTGEN: NASA/CXC/M.MARKEVITCH ET AL.; OPTISCH: NASA/STSCI, MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE ET AL.; LENSING: NASA/STSCI, ESO WFI, MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE ET AL. (WWW.SPACETELESCOPE.ORG/IMAGES/OPO0639A/) / CC BY 4.0 (CREATIVECOMMONS.ORG/LICENSES/BY/4.0/LEGALCODE)