Dunkle Materie

Dunkle Materie ist eine Form von Materie, die weder durch Licht noch durch eine andere Form von elektromagnetischer Strahlung sichtbar ist, aber über die Gravitation wirkt. 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 aufgrund des beobachteten Gravitationslinseneffekts wird von der Existenz Dunkler Materie ausgegangen. 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 Masse innen konzentriert erscheinen. Diese Massekonzentration im Zentrum ist jedoch nicht bei allen Galaxien feststellbar. Messungen der Rotverschiebung und der Radioastronomie zeigen zudem, dass die beobachteten und berechneten Geschwindigkeiten voneinander abweichen, wie im nebenstehenden Bild dargestellt. Dies legt die Vermutung nahe, dass es Materie 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 der Quasare,^[2] 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 Neutrinos tragen zur Energiedichte des Universums bei, sind aber gleichmäßig verteilt und an den beobachteten Gravitationseffekten nicht wesentlich beteiligt.

2 Alternativen zu Dunkler Materie

Die meisten Erklärungsansätze gehen davon aus, dass die Gravitation dem Newtonschen Gravitationsgesetz bzw. der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt. Es gibt aber auch Überlegungen, die Beobachtungen, anstatt durch die Einführung einer zusätzlichen Materiekomponente, durch eine Modifikation des Gravitationsgesetzes zu erklären. Diese stammen zum Beispiel von Astrophysikern wie Jacob Bekenstein und John Moffat. Sie haben die umstrittene MOND-Hypothese (Modifizierte Newtonsche Dynamik) weiterentwickelt, nach der das Äquivalenzprinzip (Physik) von träger und schwerer Masse bei extrem kleinen Beschleunigungen - insbesondere im Hinblick auf die Hubble-Konstante - angeblich nicht mehr gilt. Ein Nachweis wurde bisher jedoch nicht dafür erbracht.

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.

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.

4 Weblinks

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).

5 Einzelnachweise

↑ Klaas de Boer: Dunkle Materie. Weshalb? Wie viel? Wo?. www.astro.uni-bonn.de. Abgerufen am 15. Februar 2023.
↑ Causes and effects of the first quasars. Proc Natl Acad Sci U S A 90(11):4840-7 (1993) PMID 11607397