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Was ist die dunkle Materie im Weltraum?

Die Suche nach der dunklen Materie ist eines der spannendsten Gebiete der heutigen Astrophysik. Das hat einen einfachen Grund: Das "Dunkelmaterie-Problem" begegnet einem Astronomen fast überall und konfrontiert ihn täglich mit der Frage, aus was denn das Universum hauptsächlich besteht.

Eine Grundbeobachtung der modernen Astronomie ist, daß im Weltraum Materie fehlt. So beobachtete man in den 70er Jahren die Geschwindigkeit mit der sich Sterne um das Zentrum ihrer Muttergalaxie bewegen. Es stellte sich heraus, daß man ihre Bewegung nur dann verstehen kann, wenn man annimmt, daß es auch dort, wo man keine "leuchtende Materie" in Form von Sternen oder Gaswolken sieht, Materie gibt - sogenannte "dunkle Materie". Mittlerweile gehört es schon zum "guten Ton" anzunehmen, daß Galaxien wie unsere Milchstraße von einem "dunklen Halo" umgeben sind, der rund zehnmal so viel Masse enthält, wie die sichtbare Materie (Sterne, Gas) der Galaxie.

Ähnliche Untersuchungen kann man auch für größere Strukturen im Universum machen, beispielsweise für Galaxienhaufen. Auch hier stellt man fest, daß viel mehr Materie da sein muß, als man sehen kann. Auch die Tatsache, daß sich überhaupt Strukturen (wie Galaxien und Galaxienhaufen) im Kosmos gebildet haben, sehen viele als Argument für dunkle Materie, die in diesem Fall als eine Art Kondensationskeim beim jeweiligen Entstehungsprozeß gedient haben soll.

Schaut man nun ganz weit zum Urknall zurück und errechnet die - nach den aktuellen Modellen - theoretische Masse aller Teilchen im Universum, stößt man wieder auf ein großes Defizit: Astrophysiker schätzen so einen Dunkelmaterie-Anteil von bis zu 95 Prozent ab. Doch es kommt noch schlimmer: Glaubt man - wie viele Kosmologen - an ein Universum, in dem so viel Masse vorhanden ist, daß seine Expansion eines Tages durch die Schwerkraft seiner Masse abgebremst wird und zum Stillstand kommt, benötigt man noch deutlich mehr Dunkelmaterie.

Die Beweise für Dunkelmaterie sind also überwältigend. Nur aus was besteht sie? Grundsätzlich unterscheidet man zwischen "baryonischer Dunkelmaterie", unter der man im Prinzip "normale" Materie verstehen kann, und nicht-baryonischer Dunkelmaterie, womit man exotische Teilchen aus der Zeit des Urknalls zusammenfaßt. Nach dem heutigen Kenntnisstand ist es unwahrscheinlich, daß man alle fehlende Materie nur durch "normale" oder baryonische Dunkelmaterie erklären kann.

"Baryonische" Kandidaten für Dunkelmaterie sind zum Beispiel Sterne, die man nicht oder nicht mehr sehen kann: Sogenannte Weiße Zwergsterne, also ausgebrannte Sternreste, sind so leuchtschwach, daß sie in größerer Entfernung von der Erde kaum nachgewiesen werden können. Dann gibt es "Braune Zwerge", riesige Jupiter-ähnliche Gebilde, die nicht genug Masse haben, um die nuklearen Brennprozesse zu starten. Weitere Kandidaten wären beispielsweise Schwarze Löcher. Astrophysiker sind sich sicher, daß es alle diese Kandidaten gibt. Unklar ist aber, ob sie so häufig sind, daß sie das Dunkelmaterie-Problem lösen können.

Bei den "nicht-baryonischen" Dunkelmaterie-Kandidaten gibt es einen ganzen Zoo von Teilchen, die nach Theorien der Teilchenphysiker möglich wären, deren Nachweis aber bis heute nicht gelungen ist.

Und was ist mit Antimaterie?  Gibt es also Antiprotonen, Antineutronen, usw.? Wahrscheinlich nicht und wenn, dann nicht sehr viel. Gäbe es nämlich einen beträchtlichen Anteil von Antimaterie beispielsweise in unserer Galaxie, müßten wir gewaltige Explosionen beobachten, wenn Materie und Antimaterie sich auslöschen. Hätte es gleich nach dem Urknall einen gleichen Anteil von Materie und Antimaterie gegeben, hätte sich vermutlich die gesamte Materie gegenseitig ausgelöscht. Die heutige Materie kann man also auch als Materieüberschuß der Materie gegenüber der Antimaterie interpretieren, der von Anfang an dagewesen ist.

So ist die Natur der dunklen Materie bis heute unklar. Auf der ganzen Welt arbeiten Wissenschaftler daran, dieses Geheimnis mit immer ausgefeilteren Methoden zu lüften. Gelingt es ihnen, wäre das ein wichtiger Schritt hin zu einem besseren Verständnis von der Entstehung und Entwicklung unseres Universums. (ds/19. März 1999)

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