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DUNKLE MATERIE
Dunkle Materie verhält sich anders als erwartet
Redaktion / Pressemitteilung der Universität Bonn 
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1. Oktober 2009

Eine neue Beobachtung stellt Astronomen vor ein Rätsel. Demnach scheint zwischen der Verteilung dunkler und sichtbarer Materie in Galaxien ein unerwarteter Zusammenhang zu bestehen. Nach Ansicht der Forscher lassen die neuen Daten nur zwei Schlüsse zu: Entweder sind die bisherigen Annahmen über die Natur der dunklen Materie in einem wichtigen Punkt falsch - oder es gibt die dunkle Materie gar nicht.

Hubble Deep Field
 
Wird das Universum von dunkler Materie dominiert oder hat die etablierte Theorie noch deutliche Lücken? Bild: STScI / NASA

Galaxien rotieren so schnell, dass die Sterne in ihnen eigentlich aufgrund der Fliehkraft auseinander getrieben werden müssten. Das hat die Physikerin Vera Rubin schon vor 40 Jahren bei Untersuchungen des Andromeda-Nebels festgestellt. Eine rätselhafte Kraft scheint das jedoch zu verhindern. Viele Forscher vermuten daher, dass die so genannte dunkle Materie aufgrund ihrer Masseanziehung die Galaxien zusammenhält. Bislang hat jedoch niemand diesen mysteriösen Stoff tatsächlich nachweisen können. Es gab allerdings in den vergangenen Jahren manche weitere, wenn auch indirekte Hinweise auf die Existenz der dunklen Materie.

Nach der aktuellen Lehrmeinung kann diese im Prinzip nur auf eine einzige Weise mit "normaler" Materie interagieren: durch Gravitation. Ein europäisches Forscherteam hat nun jedoch eine erstaunliche Entdeckung gemacht, die dieses Paradigma in Frage stellt. "Die dunkle und sichtbare Materie in Galaxien scheinen sich auf eine rätselhafte Weise miteinander auszutauschen", erklärt Dr. Benoit Famaey. "Die dunkle Materie scheint irgendwie viel zu genau zu 'wissen', wie die sichtbare Materie in Galaxien verteilt ist."

Der Humboldt-Stipendiat absolviert momentan ein Forschungssemester in der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Pavel Kroupa am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. Zusammen mit Kollegen aus Belgien, Schottland und Italien hat er berechnet, wie groß die Menge dunkler Materie in den inneren Regionen verschiedener Galaxien anhand der Beobachtungsdaten sein müsste. "Dabei haben wir eine Beziehung zwischen den beiden Materieformen festgestellt, die es eigentlich gar nicht geben dürfte", sagt er.

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Merkwürdigerweise scheinen sich die Sterne im Zentrum großer Galaxien normal zu verhalten. Man kann sich eine kugelförmige Grenzfläche denken, die das Zentrum umschließt. Innerhalb dieser Grenzfläche braucht man die dunkle Materie gar nicht. Außerhalb verhalten sich die Bewegungen der Sterne aber nicht mehr wie eigentlich erwartet. Das europäische Forscherteam hat nun die Größe der Grenzfläche zur Gesamtmasse der sichtbaren Materie in Beziehung gesetzt, die von ihr umschlossen wird. Erstaunlicherweise ist diese so genannte "Flächendichte" konstant - ein völlig unerwartetes Ergebnis.

Man kann es nämlich so interpretieren, als würde die dunkle Materie erst ab einer bestimmten Beschleunigung nötig. "Irgendetwas geht da vor, das nicht in das bisherige Paradigma passt", fasst Famaey das Resultat zusammen. Die Analysen legen seiner Meinung nach zwei mögliche Erklärungen nahe: Entweder sei die Interaktion zwischen normaler und dunkler Materie komplexer als bislang gedacht. Oder - und diese Lösung sei in vielerlei Hinsicht weit einfacher - die Gravitationsgesetze von Newton und Einstein müssten modifiziert werden. In den galaktischen Dimensionen würden dann größere Gravitationskräfte wirken.

Der israelische Wissenschaftler Mordehai Milgrom hatte diese Überlegung bereits 1983 angestellt. "Die jetzigen Beobachtungen decken sich genau mit dem, was Milgrom vorhergesagt hat", gibt Kroupa zu bedenken. "Sie sind ein weiterer eindrucksvoller Hinweis, dass die Newtonsche Gravitationstheorie so nicht stimmen kann."

"Unsere Analysen zeigen, dass die zusätzlich benötigten Gravitationskräfte sehr stark mit der Verteilung der sichtbaren Materie zusammen hängen", bestätigt Famaey. "Durch eine Modifikation der Gravitationstheorie ließe sich dieser Befund problemlos erklären - schließlich wäre dann die sichtbare Materie die einzige Quelle der Gravitation." Und Kroupa ergänzt: "Im Angesicht dieser Resultate scheint es immer deutlicher zu werden, dass die heute bekannte Physik der Galaxien und der Kosmologie ernsthafte Lücken aufweist." Die Untersuchung der Wissenschaftler erscheint in der Fachzeitschrift Nature.

Andere Astronomen warnen allerdings vor voreiligen Schlüssen. "Die Resultate deuten schon darauf hin, dass es mehr Wechselwirkungen zwischen normaler und dunkler Materie gibt als erwartet", sagte Mark Wilkinson von der University of Leicester der Zeitschrift New Scientist. "Aber es ist noch zu früh, irgendwelche Schlussfolgerungen zu ziehen." Nach Wilkinsons Angaben wäre es auch möglich, dass normale Materie die dunkle Materie mehr beeinflusst als vorhergesagt und die dunkle Materie etwa durch Supernova-Explosionen aus dem Zentrum der Galaxie herausgeblasen werden könnte.

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