Haben wir Dunkle Materie völlig falsch eingeschätzt?

In den 1930er Jahren bemerkte der Astronom Fritz Zwicky in den Bewegungen von Galaxien etwas Seltsames. Sie bewegten sich viel schneller innerhalb ihrer Galaxienhaufen, als dies aufgrund ihrer gegenseitigen Anziehungskraft zu erwarten wäre. Diese Haufen hätten sich auch seit Milliarden von Jahren auseinandergeschleudert haben sollen, waren aber dennoch intakt. Da Zwicky davon ausging, dass es eine Komponente in den Galaxienhaufen gibt, die er nicht direkt sehen konnte, nannte er dieses Material "dunkle Materie" und ließ das Thema hinter sich.

Jahrzehnte später bemerkte die Astronomin Vera Rubin eine ähnliche Merkwürdigkeit. In den 1970er Jahren entdeckte sie, dass die Sterne in Galaxien viel schneller um das Galaxienzentrum kreisen, als sie sollten. Das bedeutet, dass es eine unsichtbare Substanz geben muss, die sich in jeder Galaxie befindet und verhindert, dass sich alles wie ein außer Kontrolle geratener Karussell auseinanderfliegt. Das muss so etwas wie Zwicky's dunkle Materie sein.

Heute haben moderne Kosmologen Dutzende unabhängige Beweise dafür, dass es Dunkle Materie gibt, angefangen bei dem Verhalten einzelner Galaxien bis hin zur Entwicklung des Universums selbst. Doch wir können ihre Anwesenheit nur durch die Gravitation nachweisen, was bedeutet, dass wir keine Ahnung haben, woraus Dunkle Materie wirklich besteht - obwohl Schätzungen zufolge sie mehr als 85 Prozent der Masse jeder Galaxie im Universum ausmacht.

Nach fast einem Jahrhundert Suche machen sich Kosmologen jetzt Sorgen, dass die Suche nach Dunkler Materie abkühlt. Ist Dunkle Materie eine Art hochtechnischer, wissenschaftlicher Version des magischen Denkens? Eine einfache Möglichkeit, Lücken in unserem begrenzten, menschlichen Verständnis zu erklären? Wenn Wissenschaftler in absehbarer Zeit keine konkreteren Beweise für Dunkle Materie finden, müssen wir vielleicht unser Verständnis von grundlegender Physik - und damit auch vom Universum selbst - radikal überarbeiten.

Um zahlreiche langjährige Probleme in der Physik, einschließlich der Dunklen Materie, in den 1980er Jahren zu lösen, schlugen einige Theoretiker eine neue Art von Teilchen vor, das als WIMP: (weakly interacting massive particle) ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen bekannt ist. Trotz ihres Namens wären diese Teilchen ziemlich massiv und würden weit mehr wiegen als vertraute Teilchen wie Protonen und Neutronen. Doch sonst hätten diese Dunkle Materie Teilchen nichts mit den uns bekannten Teilchen gemeinsam - WIMPs würden nicht an der elektromagnetischen Kraft teilnehmen und wären daher für direkte Beobachtungen unsichtbar (mit der kleinen Ausnahme der extrem seltenen Wechselwirkung mit normaler Materie durch die schwache Kernkraft).

Daraufhin begann die Jagd nach diesen Teilchen (und nach dem Nobelpreis) mit fortschrittlichen Experimenten wie der Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) weltweit, deren Mission es war, ein verirrtes schweres WIMP einzufangen.

Jahrzehnte später ist die Gesamtzahl der gefangenen oder nachgewiesenen WIMPs ... null.

Diese Ergebnisse waren jedoch nicht völlig erfolglos. Die Teilchenphysik und Kosmologie können uns die groben Eigenschaften dieses mysteriösen Teilchens (oder Teilchen, falls das Universum aus mehr als einem Typ von Dunkler Materie besteht) mitteilen, aber sie konnte uns keine konkreten Details liefern. Nullergebnisse in diesen Experimenten können uns zumindest sagen, was Dunkle Materie nicht ist. Mit den Jahren sind die Möglichkeiten, was das WIMP sein könnte, immer enger geworden.

Aber jetzt sind die Einschränkungen so eng geworden, dass die Physiker sich fragen, ob wir Dunkle Materie völlig falsch eingeschätzt haben. Unsere Experimente sind darauf ausgerichtet, WIMPs zu finden. Diese WIMPs sind schwere Teilchen, die durch Theorien in der Teilchenphysik motiviert sind. Daher könnte es sein, dass unsere anhaltenden Nullergebnisse uns sagen, dass WIMPs nicht die Antwort sind. Vielleicht ist es etwas anderes, noch geisterhafteres, noch leichteres.

Die Idee, dass Dunkle Materie aus einem Teilchen besteht, das viel, viel leichter ist als wir bisher angenommen haben, kommt nicht aus dem Nichts. Zum einen kennen wir bereits eine Art von Teilchen, das sowohl leicht ist als auch unsichtbar: das Neutrino. Wir haben sein genaues Gewicht noch nicht ermittelt, aber unsere Obergrenzen setzen sein Gewicht auf nicht höher als etwa 500.000-mal leichter als das Elektron (das Elektron selbst ist etwa 2.000-mal leichter als das Proton).

Zum anderen haben andere ungelöste Probleme in der Hochenergiephysik ihre eigenen Kategorien von neuen Teilchen, sogenannte Axionen, vorgeschlagen, die ebenfalls die Eigenschaften von ultraleichten und unsichtbaren Teilchen erfüllen würden. Diese Teilchen würden unsere Detektoren ohne einen Hinweis auf ihre Existenz durchqueren und möglicherweise erklären, warum wir bisher die Dunkle Materie, die für unsere Beobachtungen des Universums so wichtig ist, nicht gefunden haben.

Wie im Fall der WIMPs gibt es eine große Vielfalt möglicher Massen für diese Form von ultraleichter Dunkler Materie. In extremen Fällen könnte das Dunkle Materieteilchen eine Billion-Billionen-Mal leichter als das Elektron sein.

Und hier wird es merkwürdig. Die vorgeschlagenen WIMPs sind exotisch, weil sie weitgehend unsichtbar sind, aber ansonsten wie normale Teilchen wirken. Sie würden wie winzig kleine dunkle Geschosse durch den Raum fliegen, genau wie jedes andere Teilchen der Natur es tun würde.

Aber die ultraleichte Dunkle Materie ist so leicht, dass sie eher wie Licht aussähe. Alle Objekte in der Natur zeigen eine Welle-Teilchen-Dualität und zeigen manchmal ihr Verhalten als Wellen und manchmal als Teilchen. Die meisten grundlegenden Teilchen verbringen den größten Teil ihres Lebens als Teilchen, springen und zittern nach Belieben. Aber ultraleichte Teilchen verhalten sich eher wie Wellen, schwappten und streuten umher.

Die leichtesten Teilchen, die wir kennen, sind die Photonen, die Träger der elektromagnetischen Kraft. Sie sind völlig masselos und oft sehr wellig: Du kannst Licht durch enge Kanäle pressen, dich um Ecken biegen und die Teilchen wie Wasserwellen addieren.

Ultraleichte Dunkle Materie würde sich genauso verhalten. Anstatt wie Milliarden wütender unsichtbarer Bienen durch das Universum zu schwirren, würde diese Form von Dunkler Materie hin und her schwappen, wobei die Wellen der Dunklen Materie gegen die Gestade jedes Sterns stoßen. Ein Ozean aus Dunkler Materie, bei dem die Galaxien nur hell erleuchtete Bojen sind, die in ihrer gravitativen Umarmung auf- und absteigen.

Wie Wasserwellen sich zu gewaltigen Flutwellen vereinen können, haben Forscher entdeckt, dass ultraleichte Dunkle Materie theoretisch in sich selbst klumpen und unsichtbare "Dunkle Sterne" aus konzentrierter Dunkler Materie bilden könnte. Wenn die ultraleichte Dunkle Materie mit sich selbst interagiert, könnten diese Dunklen Sterne extrem dicht werden und kurz davor stehen, Schwarze Löcher zu bilden, bevor sie sich in einer einzigen Energieexplosion selbst zerreißen, die für jedes Teleskop unsichtbar ist.

Die Suche nach Dunkler Materie hat sich zu einer der größten Herausforderungen in der modernen Physik entwickelt. Die gegenwärtig akzeptierte Theorie besagt, dass Dunkle Materie etwa 27 Prozent der gesamten Masse und Energie im Universum ausmacht. Obwohl wir bisher keine direkte Nachweise für diese mysteriöse Materie haben, liefert sie eine Erklärung für Phänomene wie die Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien und die Verteilung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Allerdings stehen wir an einem Wendepunkt: Die bisherigen Versuche, Dunkle Materie als ein Missverständnis der Physik von Allem (The Theory of Everything, kurz TOE) zu erklären, sind gescheitert.

Versuche, Dunkle Materie durch ultra-leichte Teilchen zu erklären, erfordern eine grundlegend andere Herangehensweise als bei der Suche nach WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). So verwenden neuere Experimente wie das Axion Dark Matter eXperiment am Center for Experimental Nuclear Physics and Astrophysics der University of Washington resonante Hohlräume, die tief unter der Erde verborgen sind. Die Hoffnung besteht darin, dass ein Axion auf ein extrem starkes Magnetfeld trifft und sich gelegentlich in ein Photon umwandelt. Wenn wir ein Experiment mit einem extrem starken Magnetfeld konstruieren und mehr Photonen im Apparat finden als erwartet, könnte dies ein Zeichen für Axionen sein, die um uns herum schweben. Falls Dunkle Sterne explodieren würden, könnten diese Experimente eine Flutwelle von Axionen (erkennbar an einem plötzlichen Anstieg von zusätzlichen Photonen) durch ihre Detektoren fließen lassen, ähnlich wie wir einen Lichtblitz sehen, wenn stellare Supernovae explodieren.

Die Natur ist gnadenlos. Unsere besten Ideen, egal wie stark sie von der Theorie, der Eleganz oder sogar vom bloßen Willen motiviert sind, müssen alle einem experimentellen Test standhalten können. Wenn es keine Hinweise gibt, die eine Idee unterstützen, müssen wir sie verwerfen.

Die Dunkle Materie-Hypothese besagt, dass es eine Substanz gibt, die die Masse des Universums dominiert und größtenteils unsichtbar ist. Diese Hypothese kann nur aufrecht erhalten werden, wenn wir eines Tages direkte Beweise für diese neuen Arten von Teilchen finden. Das fast 40 Jahre alte WIMP-Paradigma wird zunehmend unhaltbar. Aber es könnte sein, dass Axionen und ihre ultra-leichten Verwandten genauso unwahrscheinlich existieren.

Es könnte sein, dass wir komplett daneben liegen. Dass es kein neues Teilchen gibt; dass das, was wir über das Universum aus unserem derzeitigen Verständnis der Teilchenphysik wissen, alles ist. In diesem Szenario müssen wir immer noch unsere kosmischen Beobachtungen erklären. Dies könnten wir tun, indem wir unser Verständnis von der Kraft der Gravitation modifizieren. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hat sich in jedem experimentellen Versuch, dem sie ausgesetzt war, bewährt, aber vergangene Ergebnisse sind kein Garant für zukünftige Gewinne.

Leider ist bisher jeder einzelne Versuch gescheitert, über Einsteins Theorie hinauszugehen und Dunkle Materie als ein großes kosmisches Missverständnis zu erklären. Heute gibt es keine tragfähigen Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie, die in der Lage sind, die Gesamtheit der bisherigen Beweise für Dunkle Materie zu erklären (mit anderen Worten, Theorien, die die Allgemeine Relativitätstheorie modifizieren, um eine Beobachtung oder andere zu erklären, erfordern immer noch mindestens etwas "Dunkle Materie", um die verbleibenden Beobachtungen zu erklären).

Wenn wir keine direkten Beweise für Dunkle Materie in irgendeiner Form finden, ob WIMP oder ultra-leicht, haben wir viel Arbeit vor uns. Etwas muss die Beobachtungen erklären, die wir im Universum machen. Vielleicht wird ein brillanter Geist eine Revolution in unserem Verständnis der Gravitation hervorbringen und die Notwendigkeit für Dunkle Materie in einem neuen, umfassenden Paradigma beseitigen. Vielleicht wird ein anderer Genie eine Erweiterung der Teilchenphysik erfinden und eine völlig neue Klasse von Teilchen finden, die die Dunkle Materie mit Eigenschaften erklären können, die wir mit neuen Methoden nachweisen können.

Oder vielleicht sind wir für Jahrzehnte weiterer Frustrationen verdammt, während alle Beweise auf die Existenz von Dunkler Materie hindeuten, trotz unserer Unfähigkeit, sie direkt nachzuweisen. Dies zwingt uns, unser Verständnis der Beziehung und Rolle aller Materieformen im Universum zu überdenken.

In der Zwischenzeit können wir auf die Möglichkeit hoffen, dass wir in einem gewaltigen Meer von Teilchen schwimmen, die so schwach sind, dass wir nur in der Bewegung von Galaxien Hinweise auf ihre subtilen, aber essentiellen Wirkungen finden können, dunkle Sterne, die um uns herum explodieren.