Ein düsteres Universum? - Dunkle Materie und Dunkle Energie
Die Welt die uns jeden Tag umgibt, besteht aus der uns gut bekannten Materie
wie z.B.
Protonen und
Elektronen.
Doch gibt es in den Tiefen unseres Universum auch Materie, die wir nicht sehen und auch noch nicht begreifen können. Sie muss aber vorhanden sein, damit einige interstellare Phänomene erklärt werden können. Die Dunkle Materie ist dafür verantwortlich. Aber auch die Dunkle Energie spielt ihre Rolle in unsere Universum. Doch was verbirgt sich dahinter?
Dunkle Materie
Man weiß noch nicht viel über die Dunkle Materie. Es wird allerdings
vermutet, dass sie wesentlich häufiger vorkommt als die "normale" Materie, wie wir sie aus den Alltag kennen. Ihr Anteil im Universum wird auf ca. 25%
geschätzt. Die "normale" Materie, aus
Baryonen
und
Leptonen
bestehend, hat ledeglich einen Anteil von 4-5% (nur 1/10 davon in Sternen). Der Rest setzt sich aus ca. 70%
Dunkler Energie und 0,3% Neutrinos zusammen.
(Quelle: ESA. Graphik: Ann Field, STScI Baltimore. (Ältere Zahlenwerte!!)
Zu der Erkenntnis, dass es Dunkle Materie geben muss, kam erstmals 1933 Fritz Zwicky,
der den Coma-Haufen
untersuchte, einen riesigen Galaxienhaufen, der aus mehr als 1000 Galaxien
besteht. Er stellte fest, dass dieser Galaxienhaufen nicht alleine durch die
Gravitation von Baryonen zusammengehalten werden kann. Er errechnete, das das 400-fache an Materie nötig ist, um dies zu bewerkstelligen. Doch damals
schenkte ihm niemand Glauben, bis 1960 von
Vera Rubin gezeigt wurde, dass die Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne mit zunehmendem Abstand zum
Zentrum der jeweiligen Galaxie geringer sein müssen, als sie beobachtet
werden.
Desweiteren vermutet man, dass am Anfang unseres Universums die Dunkle Materie und ihre Gravitation dafür verantwortlich waren, dass die heutigen
Strukturen wie Stern- und Galaxienhaufen überhaut entstanden sind.
Durch den Einfluß der Dunklen Materie bildeten sich bereits sehr
früh kleine Fluktuationen in einem vorher gleichförmigen Universum,
wodurch eine Konzentration von Materie an einigen Stellen hervorgerufen wurde.
Daraus entstand die Idee, dass es eine Form von Materie geben muss, die keine
elektromagnetische Strahlung aussendet, wohl aber mit Baryonen unter
Gravitation wechselwirkt. Man gab ihr deswegen den Namen Dunkle Materie.
Und da liegt auch das Problem. Wie soll man etwas nachweisen, das man nicht
sehen kann und das nur sehr indirekt über die Schwerkraft wirkt?
Es wird vermutet, das Axionen, die als
hypothetische Teilchen der Dunklen Materie angesehen werden, durch den Einfluss eines extrem starken Magnetfeldes langsam in elektromagnetische
Strahlung umgewandelt werden können.
Die Kunst besteht dann lediglich darin, zwischen der Strahlung eines Axion und
dem normalen Licht zu unterscheiden. Doch bisher ist man diesem Ziel noch nicht sehr nahe gekommen. Man hofft allerdings, am
LHC, dem
neuen großen Teilchenbeschleuniger des Europäischen
Kernforschungszentrums
CERN, bis 2008 die ersten Erfolge zu erzielen.
Mit der Dunklen Energie ist es ähnlich wie mit der Dunklen Materie. Man weiß noch nicht viel darüber und kann nur Vermutungen anstellen,
da man sie ebenfalls nicht direkt nachweisen kann. Doch man ist sich sicher,
das es so etwas wie Dunkle Energie gibt.
Dass das Universum sich weiter ausdehnt, ist unumstritten. Allerdings dachte man bis vor kurzem, dass die Expansion eines Tages, auf Grund der ihr entgegenwirkenden Schwerkraft der Baryonen, aufhören und sich sogar in eine
Kontraktion umkehren wird (Big Crunch).
Doch wahrscheinlich wird dies nie so geschehen. Man hat herausgefunden, dass
sich Galaxien und Sterne umso schneller von uns weg bewegen, umso weiter sie
von uns entfernt sind.
Dafür muss es eine Ursache geben.
Und die bezeichnet man nun als "Dunkle Energie", die der Gravitation entgegenwirkt und das Universum immer schneller expandieren lässt. Demnach wird das Universum für immer auseinanderdriften, bis eines Tages die Geschwindigkeit so groß ist, das Galaxien und Sterne in einem riesigen
Big Rip auseinander gerissen werden.
Ein weiteres Indiz für die Dunkle Energie sind die Verzerrungen, die durch
Gravitation bewirkt werden, wenn man Hintergrundquellen durch einen
massereichen Galaxienhaufen hindurch betrachtet.
Seltsam an der Dunklen Energie ist auch, das sich ihre Anziehungskraft mit
zunehmendem Abstand erhöht statt, wie man erwarten würde, vermindert.
Dunkle Materie als Baustein der Galaxien
Man vermutet, dass Dunkle Materie für die Entstehung von Galaxien und anderen Strukturen in unserem Universum verantwortlich war und noch ist. Zu Beginn war die Materie in unserem Universum sehr gleichmäßig verteilt.
Es waren allerdings minimale Fluktuationen vorhanden. Zu diesen Stellen war nach einiger Zeit immer mehr Materie hingezogen worden, sodass das Gleichgewicht nicht mehr vorhanden war.
Durch die zunehmende Masse wurde die Gravitation auch immer größer und noch mehr Materie wurde angezogen.
Normalerweise müsste durch die Expansion des Universums der Vorgang abgebremst werden, jedoch bewegten sich die massereichen Regionen gegenüber den anderen langsamer, sodass sich ihre Masse dennoch erhöhen konnte. Sobald ein bestimmter Wert erreicht war, kehrte sich das Wachstum in einen Kollaps um, sodass ein Halo aus Dunkler und "normaler" Materie entstehen konnte.
Aus diesen Halos bildeten sich dann Galaxien und Sterne.
Die umfangreichen Computerrechnungen dazu wurden als
Millennium-Simulation
unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik
durchgeführt; daraus sind auch die folgenden Abbildungen entnommen.
1) Materiekonzentration 2) Durch Kollabieren entsteht ein Halo 3) Aus dem Halo entwickelt sich eine Galaxie
(Quelle: Volker Springel: Die Geschichte kosmischer Sternentstehung: Max-Planck-Institut für Astrophysik)
Man kann diese ungleichmäßige Verteilung von Materie auch heute noch in unserem Universum finden.
Es gibt dort nämlich Stellen, an denen Galaxien konzentriert sind,
und Bereiche, in denen fast nichts vorhanden ist.
Die Dunkle Materie kann dies allerdings nur bewerkstelligen, wenn sie als Kalte Dunkle Materie (Cold Dark Matter - CDM) vorkommt, da sonst die einzelnen Teilchen zu schnell gewesen wären, als das sie sich hätten konzentrieren können. Durch die CDM kollabieren dann kleinere Fluktuationen früher als große. Dadurch enstehen erst kleinere Galaxien, die dann durch ihr gravitatives Wachstum zu größeren Systemen werden. Wäre die Dunkle Materie statt dessen thermisch heiß, wäre das Ganze komplett anders abgelaufen.
Doch nicht nur durch die Dunkle Materie können Galaxien entstehen. Auch die "normale" Materie verhält sich anfangs so wie die CDM, nur das, sobald die "normale" Materie heiß wird, sie ihre Energie abgeben kann, sodass sie den Kollaps aus eigener Gravitation fortsetzt. Dadurch kommt es zu einer Trennung zwischen der CDM
und den Baryonen. Die Baryonen, die zu diesem Zeitpunkt als Gas vorkommen, stürzen in das Zentrum des Halos.
Der vollständige Kollaps in das Zentrum wird durch den Drehimpuls verhindert, den das Gas besitzt. Es stabilisiert sich dann auf Kreisbahnen um das Zentrum herum. Dadurch entsteht eine Gasscheibe, bei der sich durch weitere lokale Verdichtungen Gaswolken bilden. In diesen Gaswolken entstehen dann Millionen von Sternen. Eine Spiralgalaxie ist geboren.
Spiralgalaxie M83
(Quelle: ESO VLT ANTU UT1+FORS1, März 1999)
Die Planck Mission
Die Fluktuationen, die für die Entstehung der Galaxien verantwortlich
waren, kann man auch heute noch in der
Kosmischen
Hintergrundstrahlung sehen. Der erste Nachweis gelang mit dem Satelliten
COBE,
der am 18. November 1989 gestartet wurde und erfolgreich Bilder zu der Erde sendete.
Das folgende Bild zeigt ein Resultat der COBE-Messungen, nämlich
die Verteilung der
Fluktuationen in der Kosmischen Hintergrundstrahlung über den
gesamten Himmel.
Auf den beiden nächsten Bildern ist jeweils der ganze Himmel zu sehen. Die Kugel wurde, wie bei Abbildungen der gesamten Erdoberfläche in einem
Atlas, zu einer ovalen Fläche auseinandergezogen. Ein Punkt am linken
Rand ist demnach der gleiche wie am rechten Rand.
(Quelle: COBE Project, DMR, NASA APOD 07.10.06)
Der 2001 gestartete Satellit WMAP konnte diese Messungen nochmals genauer durchführen, sodass ein verbessertes Ergebniss entstand (in anderer Farbskalierung):
(Quelle: WMAP Science Team, NASA APOD 25.09.05)
Doch das ist den Wissenschaftlern nicht genug. Voraussichtlich im Jahr 2008
soll der neue Satellit
Planck
(benannt nach dem deutschen Wissenschaftler Max Planck (1858-1947)) in die Erdumlaufbahn starten und noch bessere Information über die Kosmische Hintergrundstrahlung sammeln,
um eine Antwort auf die Frage zu finden, ob das Universum für immer expandieren oder irgendwann zusammenfallen wird.
Planck wird mehrere Instrumente an Bord haben,
die verschiedene Aufgaben übernehmen,
um so dem Universum seine Geheimnisse zu entlocken.
Quellen und Anregungen
(Erstellt von Björn-Eric Reitz (Rheingymnasium Sinzig) unter Betreuung von Dr. Norbert Junkes)