Die dunkle Seite des Universums
Das Kernelement des CRESST Experiments detektiert sogar Teilchen, die mit Materie kaum interagieren | © Max-Planck-Institut für Physik

Fünfmal mehr Dunkle Materie als normale Materie im Universum

Es gibt mittlerweile viele Indizien für die Existenz Dunkler Materie. Der Kern aller Beobachtungen und Argumente, die die Existenz der Dunklen Materie stützen, besteht daraus, dass weit mehr Masse und damit gravitative Anziehung im Universum vorhanden sein muss, als man es durch Zählen aller Sterne und sonstiger bekannter Materie erwarten würde. Man erfährt zum Beispiel aus der Betrachtung des Mikrowellenhintergrundes und der Galaxienverteilung im Universum, dass die normale Materie nicht ausreichen würde, um diese großräumigen Strukturen zu bilden. Gäbe es ausschließlich die uns bekannten Materieformen, hätten diese nicht genug Anziehungskraft aufeinander ausgeübt, um sich zu den vorhandenen Galaxienclustern zusammenzufinden. Die aktuellen Messungen legen nahe, dass nur rund 15 Prozent aller Materie im Universum aus den Teilchen aufgebaut ist, die man schon kennt.

Einen weiteren Hinweis auf viel kleinerer Skala findet man in der Verteilung der stellaren Rotationsgeschwindigkeiten in einer Galaxie. Denn innerhalb einer Galaxie drehen sich die Sterne um ein gemeinsames galaktisches Zentrum. Dies ist analog zu unserem Sonnensystem, in dem sich die Planeten um die Sonne drehen. Allerdings sind die Zeit- und Größenskalen deutlich imposanter. Unser Sonnensystem benötigt zum Beispiel mehr als 200 Millionen Jahre für einen Umlauf in der Milchstraße.

Die Umlaufgeschwindigkeit eines Objektes hängt von dem Abstand zum Zentrum ab. Die Bahngeschwindigkeit muss umso schneller sein, je näher sich das Objekt am Massenzentrum befindet. Die Erde hat eine Bahngeschwindigkeit von etwas mehr als 100.000 km/h um die Sonne. Wäre die Erde etwas langsamer unterwegs, würde sie allmählich in die Sonne fallen. Wäre sie schneller, könnte die Gravitation zwischen Sonne und Erde sie nicht länger halten und sie würde aus dem Planetensystem driften. Zum Vergleich: Der innerste Planet, Merkur, benötigt für seine stabile Bahn um die Sonne eine Geschwindigkeit von mehr als 170.000 km/h.

Die gleiche Argumentation funktioniert auch bei den Sternen in der Galaxie. Je weiter diese am äußeren Rand der Galaxie liegen, desto langsamer müssten sie unterwegs sein. Aber Messungen der Geschwindigkeiten der Sterne zeigen, dass ab einem gewissen Abstand zum Zentrum die Geschwindigkeit der verschiedenen Sterne nahezu die gleiche ist, egal ob sie weiter innen oder außen liegen. Und dennoch sind sie stabil an unsere Galaxie gebunden.

Die von dem Großteil der Physiker vermutete Erklärung dafür, dass sie dennoch auf ihrer Laufbahn bleiben, ist die Existenz von Dunkler Materie. Die Geschwindigkeitsverteilung der Sterne könnte durch in großem Maßstab in der Galaxie verteilte Dunkle Materie erklärt werden. Somit wäre auch zwischen den äußeren Sternen und dem Zentrum mehr Dunkle Materie, als zwischen denjenigen Sternen, die etwas näher am Zentrum sind. Die äußeren Sterne würden eine größere Geschwindigkeit benötigen. Wir sind also auf dem richtigen Weg, nur: Was könnte diese Dunkle Materie sein?