Dunkle Materie

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Die beobachtete Umlaufgeschwindigkeit von Sternen ist in den Außenbereichen von Galaxien höher, als auf Basis der sichtbaren Materie zu erwarten ist.

Dunkle Materie ist eine postulierte Form von Materie, die nicht direkt sichtbar ist, aber über die Gravitation wechselwirkt. Ihre Existenz wird postuliert, weil im Standardmodell der Kosmologie nur so die Bewegung der sichtbaren Materie erklärt werden kann, insbesondere die Geschwindigkeit, mit der sichtbare Sterne das Zentrum ihrer Galaxie umkreisen. In den Außenbereichen ist diese Geschwindigkeit deutlich höher, als man es allein auf Grund der Gravitation der Sterne, Gas- und Staubwolken erwarten würde.

Auch für die beobachtete Stärke des Gravitationslinseneffekts wird Dunkle Materie postuliert. Nach derzeitigen Erkenntnissen ist demnach nur etwa ein Sechstel der Materie sichtbar und im Standardmodell der Elementarteilchenphysik erfasst. Die Natur der Dunklen Materie ist eine wichtige offene Frage der Kosmologie.

Existenz und Bedeutung

Nach dem Dritten Keplerschen Gesetz und dem Newtonschen Gravitationsgesetz müsste die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne mit wachsendem Abstand vom Galaxiezentrum, um das sie rotieren, abnehmen und die sichtbare Materie innen konzentriert erscheinen. Messungen der Doppler-Verschiebung zeigen jedoch, dass die Masse konstant bleibt oder sogar ansteigt, siehe Rotationskurve. Dies legt die Vermutung nahe, dass es dort Masse gibt, die nicht in Form von Sternen, Staub oder Gas sichtbar ist, eben Dunkle Materie.

Ihre Existenz gilt bisher als nicht nachgewiesen, wird aber durch weitere astronomische Beobachtungen wie die Dynamik von Galaxienhaufen und den schon erwähnten Gravitationslinseneffekt nahegelegt, die durch die sichtbare Materie allein nicht erklärbar sind, wenn man die anerkannten Gravitationsgesetze zugrunde legt.

Der Dunklen Materie wird eine wichtige Rolle bei der Strukturbildung im Universum und bei der Galaxienbildung zugeschrieben. Messungen im Rahmen des Standardmodells der Kosmologie legen nahe, dass der Anteil der Dunklen Materie an der Masse-Energie-Dichte im Universum etwa fünfmal so hoch ist wie derjenige der gewöhnlichen (sichtbaren) Materie. Auch Photonen und Neutrinos tragen zur Energiedichte des Universums bei, sind aber gleichmäßig verteilt und an den beobachteten Gravitationseffekten nicht wesentlich beteiligt.

Alternativen zu Dunkler Materie

Namhafte Astrophysiker wie Jacob Bekenstein und John Moffat haben die umstrittene MOND-Hypothese (Modifizierte Newtonsche Dynamik) weiterentwickelt, nach der die Äquivalenz von träger und schwerer Masse bei extrem kleinen Beschleunigungen nicht mehr gilt.

Die TeVeS (Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie) wurde 2004 erstmals von Jacob Bekenstein formuliert. Der Hauptunterschied zur allgemeinen Relativitätstheorie liegt in der Formulierung der Abhängigkeit der Gravitationsstärke von der Entfernung zur Masse, welche die Gravitation verursacht. Diese wird bei der TeVeS mittels eines Skalar-, eines Tensor- und eines Vektorfeldes definiert, während die allgemeine Relativitätstheorie die Raumgeometrie mittels eines einzigen Tensorfeldes darstellt.

Die Skalar-Tensor-Vektor-Gravitationstheorie (STVG) wurde 2014 von John Moffat entwickelt, nicht zu verwechseln mit der TeVeS. Die STVG wurde erfolgreich für die Berechnung der Rotation von Galaxien, der Masseverteilung von Galaxienhaufen und des Gravitationslinseneffekts des Bullet-Cluster herangezogen, ohne die Notwendigkeit, Dunkle Materie zu postulieren. Die Theorie bietet darüber hinaus eine Erklärung für den Ursprung des Trägheitsprinzips.

Literatur

Bücher:

• Wolfgang Kapferer: Das Rätsel Dunkle Materie. Springer-Verlag, Berlin 2018, ISBN 978-3-662-54939-1.
• Lisa Randall: Dunkle Materie und Dinosaurier. Die erstaunlichen Zusammenhänge des Universums. S. Fischer, Frankfurt am Main 2016. ISBN 978-3-10-002194-6.
• Adalbert W. A. Pauldrach: Das Dunkle Universum. Der Wettstreit Dunkler Materie und Dunkler Energie: Ist das Universum zum Sterben geboren? Springer Spektrum 2015. ISBN 3-642-55372-9.
• Robert H. Sanders: The Dark Matter Problem. A Historical Perspective. Cambridge University Press, Cambridge u. a. 2010, ISBN 978-0-521-11301-4.
• Dan Hooper: Dunkle Materie. Die kosmische Energielücke. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-8274-2030-5 (Spektrum-Akademischer-Verlag-Sachbuch).
• Ken Freeman, Geoff McNamara: In search of dark matter. Springer, Berlin u. a. 2006, ISBN 0-387-27616-5 (Springer Praxis books in popular astronomy).
• Hans Klapdor-Kleingrothaus, Richard Arnowitt (Hrsg.): Dark matter in astro- and particle physics. Springer, Berlin u. a. 2005, ISBN 3-540-26372-1.
• David B. Cline (Hrsg.): Sources and detection of dark matter and dark energy in the universe. Springer, Berlin u. a. 2001, ISBN 3-540-41216-6 (Physics and astronomy online library).
• James Trefil: Fünf Gründe, warum es die Welt nicht geben kann. Rowohlt, Reinbek 1997, ISBN 3-499-19313-2.

Aufsätze:

• Wolfgang Rau: Auf der Suche nach der Dunklen Materie. In: Sterne und Weltraum. 44, 1, 2005, ISSN 0039-1263, S. 32–42.
• David B. Cline: Die Suche nach Dunkler Materie. In: Spektrum der Wissenschaft. 10, 5, Oktober 2003, ISSN 0170-2971, S. 44–51.

Weblinks

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Datei fehlt Commons: Dunkle Materie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Literatur zum Thema Dunkle Materie im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
• Das kosmologische Standardmodell auf dem Prüfstand. Spektrum der Wissenschaft, August 2010 (PDF, 10 Seiten, 314 KiB).
• The DAMA Project
• Artikelsammlung zu Dunkler Materie. In: WeltDerPhysik.de.
• In Search of the Dark Matter in the Universe. ISSI-Publikation (englisch, PDF, 695 KiB).

Vergleich zu Wikipedia

• Dunkle Materie bei Wikipedia (Wikipedia-Version)

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