Ein düsteres Universum? - Dunkle Materie und Dunkle Energie

(Schülerpraktikumsprojekt von Björn-Eric Reitz aus dem Jahr 2007)





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.

Zusammensetzung des Kosmos.
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.

Dunkle Energie

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.

Materiekonzentration.
(Quelle: Volker Springel: Die Geschichte kosmischer Sternentstehung: Max-Planck-Institut für Astrophysik)
Durch Kollabieren entsteht ein Halo.
(Quelle: Volker Springel: Die Geschichte kosmischer Sternentstehung: Max-Planck-Institut für Astrophysik)
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

Wikipedia
Millennium-Simulation
Die Geschichte kosmischer Sternentstehung - Max-Planck-Institut für Astrophysik
Volker Springel: Entstehung von Galaxien (Physik Journal)
Satellit Planck - Datenblatt (DLR)





(Erstellt von Björn-Eric Reitz, Rheingymnasium Sinzig, unter Betreuung von Dr. Norbert Junkes)

ur 4/2013

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