Der größte Teil unseres Universums liegt im Verborgenen. Obwohl wir es weder sehen noch berühren können, gehen die meisten Astronomen davon aus, dass der größte Teil des Kosmos aus dunkler Materie und dunkler Energie besteht. Aber was ist dieses geheimnisvolle, unsichtbare Zeug, das uns umgibt? Und was ist der Unterschied zwischen dunkler Energie und dunkler Materie? Kurz gesagt, die dunkle Materie verlangsamt die Expansion des Universums, während die dunkle Energie sie beschleunigt.

Die dunkle Materie wirkt wie eine anziehende Kraft – eine Art kosmischer Kitt, der unser Universum zusammenhält. Das liegt daran, dass dunkle Materie zwar mit der Schwerkraft wechselwirkt, aber kein Licht reflektiert, absorbiert oder aussendet. Die dunkle Energie hingegen ist eine abstoßende Kraft – eine Art Antigravitation -, die die immer schneller werdende Expansion des Universums antreibt.

Die dunkle Energie ist die weitaus dominantere der beiden Kräfte und macht etwa 68 % der gesamten Masse und Energie des Universums aus. Die dunkle Materie macht 27 Prozent aus. Und der Rest – mickrige 5 Prozent – ist die normale Materie, die wir jeden Tag sehen und mit der wir interagieren.

Dunkle Materie kann nicht fotografiert werden, aber Forscher können sie aufspüren und durch die Messung von Gravitationslinsen kartieren. Ihre Verteilung ist hier in der blauen Überlagerung der inneren Region von Abell 1689, einem 2,2 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxienhaufen, dargestellt. (Credit: NASA/ESA/JPL-Caltech/Yale/CNRS)

Dunkle Materie

In den 1930er Jahren untersuchte der in der Schweiz geborene Astronom Fritz Zwicky Bilder der rund 1.000 Galaxien, die den Coma-Haufen bilden – und ihm fiel etwas Merkwürdiges an ihrem Verhalten auf. Die Galaxien bewegten sich so schnell, dass sie eigentlich auseinanderfliegen müssten. Er vermutete, dass eine Art “dunkle Materie” sie zusammenhält.

Jahrzehnte später fanden die Astronomen Vera Rubin und Kent Ford ein ähnliches Phänomen, als sie die Rotationsraten einzelner Galaxien untersuchten. Die Sterne am äußeren Rand einer Galaxie sollten langsamer kreisen als Sterne in der Nähe des Zentrums. Das ist die Art und Weise, wie die Planeten in unserem Sonnensystem kreisen. Stattdessen stellten sie fest, dass die Sterne am Rande einer Galaxie genauso schnell – oder sogar schneller – kreisen als die Sterne im Zentrum. Rubin und Ford hatten weitere Beweise dafür gefunden, dass eine unsichtbare Form von Materie das Universum zusammenhält.

“Selbst Sterne am Rande kreisen mit hohen Geschwindigkeiten”, erklärte Rubin einmal in einem Interview mit Discover. “Es muss eine Menge Masse vorhanden sein, damit die Sterne so schnell kreisen, aber wir können sie nicht sehen. Wir nennen diese unsichtbare Masse dunkle Materie.”

Die Astronomen haben jetzt viele andere Beweise, die darauf hindeuten, dass die dunkle Materie real ist. Die Existenz der dunklen Materie ist sogar so weit anerkannt, dass sie Teil des so genannten Standardmodells der Kosmologie ist, das die Grundlage dafür bildet, wie Wissenschaftler die Entstehung und Entwicklung des Universums verstehen. Ohne sie können wir nicht erklären, wie wir hierher gekommen sind.

Ein weiter Blick auf das lokale Universum, der sich über Hunderte von Millionen Lichtjahren erstreckt, offenbart die verklumpte und netzartige Struktur des Kosmos mit Strängen von Galaxien und riesigen Leerräumen. Die Milchstraße ist nur einer von vielen Punkten, aus denen sich der Virgo-Superhaufen zusammensetzt. Die Leerräume sind nicht einfach nur leere, passive Räume, sondern können Hinweise zum Verständnis der dunklen Materie, der dunklen Energie und der galaktischen Entwicklung liefern. (Credit: Andrew Z. Colvin)

Dieser hohe Status setzt die Kosmologen jedoch unter Druck, einen endgültigen Beweis für die Existenz dunkler Materie und die Richtigkeit ihres Modells des Universums zu finden. Seit Jahrzehnten versuchen Physiker auf der ganzen Welt mit immer leistungsfähigeren Instrumenten, dunkle Materie aufzuspüren. Bislang haben sie keine Anzeichen dafür gefunden.

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Dunkle Energie

Astronomen wissen seit etwa einem Jahrhundert, dass sich unser Universum ausdehnt. Teleskopische Beobachtungen haben gezeigt, dass sich die meisten Galaxien voneinander entfernen, was darauf hindeutet, dass die Galaxien in der fernen Vergangenheit näher zusammen waren. Infolgedessen häuften sich die Beweise für den Urknall. Die Astronomen gingen jedoch davon aus, dass die kombinierte Anziehungskraft aller Sterne und Galaxien des Kosmos die Expansion des Universums verlangsamen müsste. Vielleicht würde es sogar eines Tages in einem Big Crunch wieder in sich zusammenfallen.

Diese Vorstellung wurde jedoch in den späten 1990er Jahren verworfen, als zwei Astronomenteams etwas entdeckten, das keinen Sinn ergab. Forscher, die Supernovae in den entferntesten Galaxien untersuchten, entdeckten, dass sich entfernte Galaxien schneller von uns wegbewegten als nahe gelegene Galaxien. Das Universum dehnte sich nicht nur aus – die Expansion beschleunigte sich.

(Credit: Roen Kelly/Discover)

“Meine eigene Reaktion liegt irgendwo zwischen Erstaunen und Entsetzen”, sagte der Astronom Brian Schmidt, der eines der beiden Teams leitete, 1998 der New York Times. “Erstaunen, weil ich dieses Ergebnis einfach nicht erwartet habe, und Entsetzen, weil ich weiß, dass die Mehrheit der Astronomen, die wie ich dem Unerwarteten äußerst skeptisch gegenüberstehen, es wahrscheinlich nicht glauben wird.”

Anstatt es zu widerlegen, haben spätere Beobachtungen die Beweise für die dunkle Energie nur noch verstärkt. Tatsächlich akzeptieren einige prominente Kritiker der dunklen Materie immer noch die Existenz der dunklen Energie.

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Das bedeutet jedoch nicht, dass die Forscher wissen, was dunkle Energie ist. Weit gefehlt. Aber sie können ihre Rolle im Universum beschreiben, dank Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Einstein wusste nichts von dunkler Energie, aber seine Gleichungen ließen vermuten, dass neuer Raum entstehen kann. Außerdem fügte er der Relativitätstheorie einen Korrekturfaktor hinzu, die kosmologische Konstante, die er später bereute, um zu verhindern, dass das Universum nach innen kollabiert. Diese Idee erlaubt es dem Raum selbst, Energie zu haben. Allerdings haben Wissenschaftler diese Kraft noch nie auf der Erde gesehen.

Einige theoretische Physiker glauben, dass es da draußen ein ganzes dunkles Reich von Teilchen und Kräften gibt, das nur darauf wartet, entdeckt zu werden. Woraus auch immer dunkle Energie und dunkle Materie bestehen, sie scheinen mit unserem Universum ein Tauziehen zu veranstalten, das es sowohl zusammenhält als auch auseinanderreißt.