Dunkle Materie und dunkle Energie

Dunkle Materie

Beginnen wir mit der dunklen Materie.

Wieso wissen wir, dass sie existiert? Was ist sie? Und warum finden wir sie nicht auf der Erde oder zumindest in unserer Sonne?

Wir wissen, dass es sie gibt, weil ihre Schwerkraft unsere eigene Galaxie, die Andromedagalaxie und all die anderen großen Strukturen im Universum zusammenhält. Der sichtbare Anteil der Andromedagalaxie und aller anderen Galaxien liegt in der Mitte einer enormen Kugel aus dunkler Materie. Sie ist zehnmal so groß wie die Galaxie. Astronomen nennen sie den Dunklen Halo.

Ohne die Schwerkraft der dunklen Materie würden die meisten Sterne, Sonnensysteme und alles andere in den Galaxien in den Weltraum wegfliegen, was sehr schlecht wäre.

Derzeit wissen wir nicht genau, woraus die dunkle Materie besteht -wir sind in der gleichen Lage wie der Grieche Demokrit, der eine Idee (Atome) hatte, aber keine Details kannte. Aber das Folgende wissen wir schon.

Die Teilchen der dunklen Materie sind nicht die Teilchen, aus denen Atome bestehen (Protonen, Neutronen und Elektronen); sie sind eine andere Form der Materie! Das ist nicht sehr überraschend - wir brauchten fast 200 Jahre, bis wir all die verschiedenen Sorten von Atomen identifiziert hatten, und im Laufe der Zeit wurden viele neue

Formen atomischer Materie entdeckt.

Weil dunkle Materie nicht aus der gleichen Materie wie Atome besteht, wird sie von der Anwesenheit der Atome kaum beeinflusst (und umgekehrt). Zudem werden dunkle Materieteilchen auch von anderen dunklen Materieteilchen kaum beeinflusst. Physiker sagen, dass dunkle Materieteilchen mit Atomen und mit anderer dunkler Materie sehr schwach oder gar nicht in Wechselwirkung treten. Aus diesem Grund blieb bei der Entstehung der Galaxien die dunkle Materie in einem sehr großen, diffusen Halo, während die Atome miteinander kollidierten und zum Zentrum des Halos sanken, wo sie schließlich Sterne und Planeten formten, die fast vollständig aus Atomen bestehen.

Die »Scheu« der dunklen Materieteilchen ist also der Grund, warum Sterne, Planeten und alle Lebewesen aus Atomen und nicht aus dunkler Materie bestehen.

Dennoch fliegen dunkle Materieteilchen dauernd um uns herum - zu jeder Zeit befindet sich ungefähr ein dunkles Materieteilchen in einem Raum von der Größe einer großen Tasse. Und das ist der Schlüssel zum Testen dieser kühnen Idee. Dunkle Materie ist scheu, aber sie kann gelegentlich verräterische Spuren in einem empfindlichen Teilchendetektor hinterlassen.

Deshalb haben Physiker sehr große Detektoren konstruiert und unterirdisch aufgebaut (zum Schutz vor den kosmischen Strahlen, die die Erdoberfläche bombardieren). Sie wollen sehen, ob der Halo wirklich aus dunklen Materieteilchen besteht.

Noch aufregender ist die Erzeugung neuer dunkler Materieteilchen in einem Teilchenbeschleuniger durch die Umwandlung von Energie in Masse nach Einsteins berühmter Formel E = mc2.

Im Großen Hadronen-Speicherring (LHC, »Large Hadron Collider«) in Genf, dem stärksten Teilchenbeschleuniger, der je gebaut wurde, versucht man, dunkle Materieteilchen zu erzeugen und nachzuweisen.

Satelliten suchen nach Teilchen, die entstehen, wenn gelegentlich dunkle Materieteilchen kollidieren und dabei gewöhnliche Materie erzeugen (das ist die umgekehrte Reaktion dessen, was man in Teilchenbeschleunigern versucht).

Wenn eine (oder mehrere) dieser Methoden erfolgreich ist, dann werden wir wissen, ob etwas anderes als Atome einen großen Teil der Materie im Universum ausmacht. Wow!

Und jetzt sind wir bereit, über das größte Mysterium der Wissenschaft zu sprechen: die dunkle Energie.

Sie ist so ein großes Rätsel, dass die Lösung vielleicht sogar Einsteins Gravitationstheorie, die allgemeine Relativitätstheorie, stürzen könnte!

Dunkle Energie

Wir wissen alle, dass sich das Universum ausdehnt und in den letzten 13,8 Milliarden Jahren seit dem Urknall immer größer geworden ist. Seit Edwin Hubble diese Expansion vor über 80 Jahren entdeckte, haben Astronomen versucht, die Verlangsamung der Expansion durch die Schwerkraft zu messen. Die Schwerkraft oder Gravitation ist die Kraft, die uns auf der Erde festhält, die Planeten in den Umlaufbahnen um die Sonne hält und die generell der kosmische Klebstoff der Natur ist. Die Gravitation ist eine anziehende Kraft. Sie zieht Dinge zusammen und bremst alles ab, das man von der Erdoberfläche nach oben schießt - von Bällen bis hin zu Raketen. Daher nahm man an, dass auch die Expansion des Universums verlangsamt wird, weil alle Dinge von all den anderen Dingen angezogen werden.

1998 entdeckten Astronomen, dass diese einfache, aber sehr logische Idee total falsch ist. Sie fanden, dass die Expansion des Universums nicht langsamer, sondern vielmehr schneller wird. Das konnten sie feststellen, weil Teleskope auch eine Art Zeitmaschine sind: Da das Licht Zeit braucht, um das Universum zu durchqueren, sehen wir weit entfernte Objekte so, wie sie vor langer Zeit aussahen. Mit leistungsfähigen Teleskopen wie dem Hubble-Weltraumteleskop konnte man so feststellen, dass sich das Universum vor langer Zeit langsamer ausdehnte.

Wie kann das sein? Nach Einsteins Theorie gibt es etwas - etwas, das noch seltsamer als dunkle Materie ist. Etwas mit repulsiver Gravitation. »Repulsive Gravitation« bedeutet eine Gravitation, durch die sich Dinge abstoßen, statt sich anzuziehen. Das ist wirklich eine sehr seltsame Sache!

Man spricht von dunkler Energie. Diese könnte etwas Einfaches wie die Energie des Quanten-Nichts sein, oder etwas ganz Merkwürdiges wie die Auswirkung von zusätzlichen Raumzeitdimensionen! Oder vielleicht gibt es überhaupt keine dunkle Energie und wir müssen stattdessen Einsteins allgemeine Relativitätstheorie durch eine bessere Theorie ersetzen.

Die dunkle Energie ist deshalb ein so wichtiges Rätsel, weil das Schicksal des Universums von ihr bestimmt wird. Im Augenblick tritt die dunkle Energie sozusagen auf das Gaspedal, und die Expansion des Universums beschleunigt sich, sodass man vermuten kann, dass es sich ewig ausdehnen und der Himmel in etwa 100 Milliarden Jahren wieder vollkommen finster werden wird.

Da wir die dunkle Energie nicht verstehen, können wir aber auch nicht ausschließen, dass sie irgendwann in der Zukunft auf die Bremse tritt, was vielleicht sogar dazu führt, dass das Universum wieder kollabiert.

Das sind alles Herausforderungen, die zukünftige Wissenschaftler - du vielleicht? - erforschen und verstehen müssen.

 
Quelle
< Zurück   INHALT   Quelle   Weiter >