Dunkle Materie

Schwarze Löcher spielen in der Theorie Entstehung des Universums ein wichtige Rolle

Dunkle Materie ist eine Form von Materie, die nicht direkt sichtbar ist, aber über die Gravitation wechselwirkt. Ein bekanntes Beispiel ist das sogenannte Schwarze Loch. Eine größere Anzahl solcher Phänomene 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 Kosmologie erfasst. Die Natur der Dunklen Materie ist eine wichtige offene Frage der Kosmologie.

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1 Existenz und Bedeutung

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

Nach dem Dritten Keplerschen Gesetz und dem Newtonschen Gravitationsgesetz müssten die Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne mit wachsendem Abstand vom Galaxiezentrum, um das sie rotieren, abnehmen und die Materie innen konzentriert erscheinen. Messungen der Doppler-Verschiebung und der Radioastronomie zeigen jedoch, dass die Geschwindigkeit konstant bleibt, wie im nebenstehenden Bild dargestellt. Dies legt die Vermutung nahe, dass es dort Masse gibt, die nicht in Form von Sternen, Staub oder Gas sichtbar ist, eben Dunkle Materie.^[1]

Ihre Existenz gilt bisher nur teilweise als 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 bekannten Gravitationsgesetze zugrunde legt. Die allgemeine Relativitätstheorie kann weitere Erklärungen hierzu liefern.

Der Dunklen Materie wird eine wichtige Rolle bei der Strukturbildung im Universum und bei der Galaxienbildung zugeschrieben. Berechnungen 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.

2 Alternativen zu Dunkler Materie

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

Die Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie (kurz TeVeS) 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 (kurz STVG) wurde 2014 von John Moffat entwickelt. Sie 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.

3 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.