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Dunkle Materie & Co.

Sie glauben ja gar nicht, was da für seltsame Materie im Weltall herumschwirrt



Sie ist der rätselhafte Stoff, der die Galaxien zusammenhält: Dunkle Materie. In einer stillgelegten Goldmine im US-Bundesstaat South Dakota fahndet ein Team von Physikern der Yale-Universität nach den geisterhaften Teilchen, aus denen diese ominöse Materie bestehen könnte. 

Die sogenannten Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) interagieren kaum mit gewöhnlicher Materie: Sie durchdringen vollkommen ungestört ganze Planeten und sind deshalb schwierig nachweisbar. Nach wie vor ist nicht sicher, ob es dunkle Materie überhaupt gibt. 

Die Jagd auf die exotischen Partikel sei nun in eine kritische Phase eingetreten, berichtete die BBC Anfang Woche. Eine neue Suchaktion mit dem LUX-Detektor tief unter den Black Hills soll die Existenz der dunklen Materie endlich nachweisen. Anlass genug für uns, einmal einige der merkwürdigen Materie-Begriffe vorzustellen, mit denen die Physiker hantieren: 

Materie

Beginnen wir mit dem Grundbegriff: Materie. Sie ist laut Wikipedia «eine Sammelbezeichnung für alle Beobachtungsgegenstände der Naturwissenschaften, die Masse besitzen». Die gewöhnliche, uns vertraute Materie – Physiker nennen sie baryonische Materie – besteht aus Teilchen; gegenwärtig gelten Leptonen (Elektronen und andere Elementarteilchen), Quarks und Eichbosonen als ihre kleinsten Bausteine. 

Sichtbare Materie in ansprechender Gestalt: Reiner Kohlenstoff (C) in Form von Diamanten.  Bild: Shutterstock 

Diese sichtbare Materie, die zum Beispiel in Form von Sternen, Planeten, Gas oder Staub vorliegt, macht nach der aktuellen Ansicht der Kosmologen nur 17 Prozent des gesamten Materieinhalts des Universums aus. Der grosse Rest besteht aus dunkler Materie

Dunkle Materie

Eigentlich verstehen die Astronomen unter «dunkler Materie» jede Materieform im Universum, die nur sehr schwach leuchtet, zum Beispiel Planeten oder Braune Zwerge, eine Zwischenform zwischen Planet und Stern. Im engeren Sinn ist aber nur die nicht-baryonische dunkle Materie gemeint. Deren Existenz nehmen die Astronomen an, weil nur sie bestimmte Messdaten erklärbar macht. Beispielsweise ist nur so die hohe Geschwindigkeit zu verstehen, mit der sichtbare Sterne um das Zentrum ihrer Galaxie rotieren. 

Unsichtbares sichtbar gemacht: Die weinroten Bereiche zeigen dunkle Materie im Supercluster Abell 901/902. Astronomen verwendeten dabei den schwachen Gravitationslinseneffekt, um die dunkle Materie zu kartographieren: Das Licht von mehr als 60'000 Galaxien hinter Abell 901/902 wird durch die gesamte Materie in diesem Supercluster leicht abgelenkt. Bei der Analyse dieser Ablenkung muss dann der Anteil der «normalen» Materie herausgerechnet werden.  Bild: AP NASA

Woraus diese dunkle Materie im engeren Sinn besteht, ist umstritten. Kandidaten sind beispielsweise die eingangs erwähnten Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), aber auch Neutrinos oder höchst exotische Teilchen wie Neutralinos oder Photinos. 

Doku: «Dunkle Energie & Dunkle Materie – Michio Kaku» Video: Youtube/Wissensakademie

Alpha Centauri: Prof. Harald Lesch: Was ist eigentlich dunkle Materie?  Video: Youtube/peer cardin

Antimaterie

Sie ist der Lieblingsstoff der Science-Fiction-Autoren: Sie nutzen Antimaterie je nach Belieben, zum Beispiel als Superwaffe oder als potente Energiequelle. In der Tat kann Antimaterie gewaltige Energiemengen freisetzen, wenn sie mit normaler Materie in Kontakt kommt. Das ist aber zugleich der Grund, warum Antimaterie als Energiequelle so unpraktisch wäre: Die beiden Materieformen vernichten sich nämlich sofort gegenseitig, wobei die gesamte Masse in Energie umgewandelt wird. 

Das liegt daran, dass die einzelnen Elementarteilchen der Antimaterie einen umgepolten Ladungswert aufweisen: Anstelle von negativ geladenen Elektronen umkreisen beispielsweise positiv geladene Positronen den Atomkern. Einzelne freie Antimaterieteilchen existieren durchaus; so wurden über Gewittern schon Positronen festgestellt. Ganze Atome oder gar Moleküle kommen indes in der Natur nicht vor. Immerhin haben Physiker am CERN mit grossem Aufwand schon Antimaterie-Atome hergestellt. 

Darstellung von Antimaterie: Positronen (gelb) über einer Gewitterwolke. Bild: PD

Ein bisher ungelöstes Problem der Teilchenphysik ist die sogenannte Baryonenasymmetrie. Der sperrige Begriff beschreibt die Tatsache, dass im jungen Universum etwas mehr Materie entstand als Antimaterie: Auf 1'000'000'000 Teilchen Antimaterie kamen 1'000'000'001 Teilchen normale Materie. Warum das so war, ist ungeklärt. Sicher ist: Alle heute vorhandene Materie im Universum ist nichts anderes als dieser winzige Überschuss, der damals der Annihilation durch das Zusammentreffen mit Antimaterie entging. 

«Was ist Antimaterie?» Video: Youtube/Stefan Jakobi

Dunkle Energie

Wem die dunkle Materie noch nicht mysteriös genug ist, der kann sich vielleicht mit der dunklen Energie trösten: Sie ist eine hypothetische Energieform im Weltall, die weder mit der sichtbaren noch mit der dunklen Materie identifiziert werden kann. Dunkel ist sie, weil sie sich nicht durch elektromagnetische Strahlung bemerkbar macht; ihre physikalische Natur ist unklar. 

Ähnlich wie bei der dunklen Materie ist es bei der dunklen Energie ein indirekter Hinweis, der die Astronomen dazu führt, ihre Existenz anzunehmen: Sie soll die beschleunigte Expansion des Universums erklären, die beobachtet wurde, obwohl eigentlich eine Verlangsamung der Expansion hätte eintreten müssen. 

Hypothetische Energieform: Illustration der dunklen Energie.  Bild: PD

Nimmt man die dunkle Energie hinzu, dann vermindert sich der weiter oben erwähnte Anteil der sichtbaren, baryonischen Materie an der Zusammensetzung des Weltalls von 17 Prozent auf nur noch knapp fünf Prozent (4,9%). 26,8 Prozent bestehen dann aus dunkler Materie und mehr als zwei Drittel, 68,3 Prozent, aus dunkler Energie. Wir und mit uns die gesamte sichtbare Welt sind damit nur ein Nebeneffekt des Universums. 

Alpha Centauri: Prof. Harald Lesch: Was ist dunkle Energie? Video: Youtube/TheLordOfDeath1000

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