Sonntag, 18. Januar 2015

Dunkle Materie - ein herausragendes Porträt

"Molecule Man" (Berlin, 2013)
(Credit: Avda, via Wikimedia Commons)
Alles, was wir jeden Tag um uns herum sehen, mag auf den ersten Blick unglaublich vielseitig und verschieden aussehen. Die Straße unterscheidet sich deutlich vom nächsten Mitmenschen, der auf ihr geht. Das Gebäude nebenan sieht so ganz anders aus als die Sonne. Dein elektronisches Gerät, das diesen Text soeben darstellt, scheint in erster Linie gar nichts mit der umgebenden Luft, die es zur Kühlung verwendet, zu tun zu haben.

Obwohl in unserer makroskopischen Welt natürlich grundverschieden, so sind all diese Dinge auf der kleinsten Ebene nicht wirklich unterschiedlich - sie alle bestehen aus den subatomaren Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Die Protonen und Neutronen in den Atomkernen werden aus drei noch kleineren Teilchen aufgebaut, den sog. "Quarks" (1). Neben den Quarks gibt es noch die sog. Leptonen, deren wohl berühmtester Vertreter das Elektron ist - jener Atombestandteil, der wesentlich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von all dem Zeug in der Welt bestimmt. Quarks und Leptonen müssen noch durch jene Teilchen, die die vier Grundkräfte der Natur (2) kommunizieren, und durch das Higgs-Teilchen (3) erweitert werden, um das soeben erwähnte Standardmodell der Teilchenphysik zu bilden. Zählt man dessen Teilchen erst einmal ab, kommt man auf insgesamt 61 Stück (4). Das klingt einerseits nach einer großen Menge Teilchen, andererseits ist es doch erstaunlich, dass es uns gelungen ist, die gesamte uns bekannte, materielle Welt auf diese paar Teilchen zu reduzieren. (Falls jemand von dieser Kurzzusammenfassung des Standardmodells eben nichts verstanden hat, macht das nichts. Ab jetzt wirds schon wieder einfacher!)

Obwohl wir alles, was wir im Universum sehen können, nun zumindest im Prinzip kennen, können wir uns wohl kaum auf unserem Erfolg ausruhen, denn wir wissen heute, dass die physikalischen Modelle nur etwa 4,9 Prozent seines gesamten Materie- bzw. Energieanteils zu beschreiben vermögen.

Das Standardmodell der Teilchenphysik
(Credit: MissMJ, derivative work: Polluks, via Wikimedia Commons)


Woraus bestehen die restlichen 95 % des Universums?

Wirklich wissen tut das niemand, zugegebenermaßen. Das kommt mitunter dadurch zum Ausdruck, dass wir diesen Teil als das "Dunkle Universum" bezeichnen. Immerhin wir können heute aber mit großer Sicherheit sagen, dass 26,8% des Materie-Energie-Gehalts des Universums aus Dunkler Materie und 68,3% aus Dunkler Energie bestehen. Wir können weder Dunkle Materie noch Dunkle Energie direkt sehen, dennoch gibt es zahlreiche handfeste und überzeugende Hinweise auf ihre Existenz (5).

Einen experimentellen Hinweis auf Dunkle Materie habe ich in einem früheren Artikel beschrieben, in welchem ich den Wasserwirbel über dem Abfluss mit dem Rotationsverhalten von Galaxien verglichen habe. Diesen Text zusammenfassend kann man in etwa sagen, dass Galaxien und ganze Haufen von Galaxien zu schnell rotieren, um nicht auseinandergerissen zu werden. Oder in anderen Worten: Die sichtbare Materie in den Galaxien und Galaxienhaufen reicht nicht aus, um die schnell rotierende Materie zusammenhalten zu können. Eine plausible Erklärung dafür: Es gibt mehr Materie in diesen kosmischen Gebilden, als wir sehen können - die Dunkle Materie. Sie ist relativ gleichmäßig um die Galaxien verteilt und bildet einen Halo der ca. zehnfachen Galaxiengröße.

Dunkle Materie wechselwirkt mit unserer sichtbaren ("Standardmodell-")Materie nicht elektromagnetisch (das ist der Grund für ihre Unsichtbarkeit - denn Licht ist immerhin nichts anderes als eine elektromagnetische Welle), aber sie interagiert sehr wohl gravitativ! Somit ziehen "normale" und Dunkle Materie einander durch die Gravitation an, jedoch spürt letztere nichts von der (vergleichsweise viel stärkeren) elektromagnetischen Wechselwirkung. Diese Tatsache ist von entscheidender Bedeutung für die Erklärung des folgenden Bildes, welches einen weiteren und gleichzeitig einen der stärksten Hinweise auf die Existenz Dunkler Materie darstellt. Vielleicht seid ihr nach der folgenden Bildbeschreibung genauso fasziniert wie ich von der Tatsache, wie viel wir bereits über etwas, das wir nicht einmal sehen können, zu sagen vermögen.


Einer der überzeugendsten Hinweise auf Dunkle Materie: Der Bullet-Cluster.

Einer der überzeugendsten bisher gefundenen Hinweise auf Dunkle Materie: der Bullet-Cluster (Montage aus verschiedenen Aufnahmen).
(blau: Dunkle Materie, rot: Standardmodell-Materie)

Das Bild zeigt den Bullet-Cluster. Es handelt sich dabei um zwei Galaxien, die gerade eine Kollision hinter sich haben - sich also jeweils durch die andere Galaxie bewegt haben und sich nun wieder voneinander entfernen. Besonders interessant bei dieser Konstellation sind die Verteilungen von "normaler" und Dunkler Materie! Das, was im Bild rötlich hervorgehoben ist, stellt die "normale", sichtbare Materie dar. Die blauen Bereiche sind Abschätzungen der Verteilung der Dunklen Materie. Es ist alles andere als einfach, die Aufenthaltsorte der Dunklen Materie zu identifizieren - sie ist ja unsichtbar. Man muss sich also indirekter Beobachtungen bedienen und auf diese Art Rückschlüsse auf ihre Verteilung ziehen. Eine dieser Methoden ist jene der Beobachtung von Gravitationslinseneffekten, welche ich in meinem letzten Artikel ausführlicher beschrieben habe. Kurz gesagt betrachtet man die Umgebung einer großen Masseansammlung (wie z.B. die des Bullet-Clusters) und sucht nach "Verschmierungen" der umgebenden Galaxien und Sterne. Diese "Verschmierungen" rühren daher, dass das Licht dieser Hintergrundobjekte auf dem Weg zur Erde durch die Raumzeit-Krümmung, die vom massiven Objekt hervorgerufen wird, etwas abgelenkt wird und das Bild des eigentlich punktförmig erscheinenden Sterns bzw. der elliptischen Galaxie leicht verzerrt auf der Erde ankommt. Je massiver das Objekt, desto stärker ist die Verzerrung der umliegenden Sterne und Galaxien. (6) Die Beobachtungen von Gravitationslinseneffekten lassen also unter anderem auf die blau eingezeichnete Verteilung Dunkler Materie im Bullet-Cluster schließen.

Das wirklich interessante und spannende an dieser Aufnahme ist jedoch die spezielle Anordnung der “normalen” und Dunklen Materie. Normalerweise wabert die Dunkle Materie als riesiger Halo um eine Galaxie herum. Im Bullet Cluster hingegen hat offensichtlich eine Separation der beiden Materiesorten stattgefunden - die blauen und roten Bereiche sind immerhin deutlich getrennt. Wie kann das sein?

Nun ja, im Grunde ist die Antwort gar nicht mehr so schwer mit all dem Wissen, das wir bis hierher gesammelt haben. Wir erinnern uns, dass Dunkle Materie im Unterschied zur “normalen” nicht elektromagnetisch wechselwirkt. Im Falle der Dunklen Materie steht also, einfach gesagt, eine Wechselwirkung bzw. Interaktionsmöglichkeit mit der anderen Kollisionspartner-Galaxie weniger zur Verfügung, verglichen mit “normaler” Materie. Die zwei Galaxien, die einander im Bullet-Cluster durchwanderten, erlebten also deshalb eine Trennung der “normalen” von der Dunklen Materie, weil die “normale” Materie zusätzlich zur Gravitation (die ja beide Typen von Materie gleichermaßen betrifft) noch die elektromagnetischen Kräfte des Kollisonspartners spürte. Der Dunklen Materie waren letztere Kräfte völlig egal und sie konnte die jeweils andere Galaxie viel ungehinderter durchqueren als die “normale”, sichtbare Materie.
Oder anders formuliert: Die Wechselwirkungen der Dunklen Materie mit der anderen Galaxie unterscheiden sich von den Wechselwirkungen der normalen Materie mit der anderen Galaxie. Somit müssen Dunkle und “normale” Materie nach der Kollision unterschiedliche Energien (Geschwindigkeiten) haben und es findet eine Trennung der beiden Materiesorten statt. Im Falle des Bullet Clusters hat die Dunkle Materie nach der Kollision eine größere Geschwindigkeit als die "normale" Materie.


Es ist doch spannend und faszinierend, wie viel Unerwartetes oft in einem einzigen Bild steckt, oder? (Und ist es darüber hinaus nicht noch aufregender, wie viel Unerwartetes offenbar in einem einzigen Universum zu stecken scheint?)

(Credit: The 5th Wave)

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Fußnoten:
(1) Protonen bestehen jeweils aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, Neutronen jeweils aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks. Neben Up- und Down-Quarks gibt es außerdem die schwereren Quark-Versionen des Charm- bzw. Strange-Quarks und des Top- bzw. Bottom-Quarks.
(2) elektromagnetische Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung, starke Wechselwirkung, Gravitation
(3) eine Art Selbstanregung des Higgs-Feldes, welches mit bestimmten Teilchen interagiert und diesen dadurch Masse verleiht
(4) Zusätzlich zu Typ und Generation eines Elementarteilchens sind beim Abzählen noch Antiteilchen und eine weitere fundamentale Eigenschaft namens “Farbladung” zu beachten. So gibt es z.B. drei Generationen von Quarks zu jeweils zwei Typen (Up+Down, Charm+Strange, Top+Bottom), welche jeweils Antiteilchen besitzen und in drei “Farben” kommen. (3×2 Teilchen + 3×2 Antiteilchen) × 3 Farben = 36 Quarks.
(5) Ein Indiz für das Vorhandensein Dunkler Energie ist etwa die beschleunigte Expansion des Universums. In diesem Text möchte ich mich jedoch vorwiegend auf Dunkle Materie konzentrieren.
(6) In Fällen extrem massereicher Objekte kann es unter Umständen zu dramatischen Verformungen kommen. Es kann sein, dass man Galaxien, die sich hinter dem "beugenden" Objekt befinden, mehrmals oder gar als Ring sieht. Im Fall eines schwarzen Lochs nehmen die Gravitationslinseneffekte nahezu bizarre Ausmaße an, wie wohl jeder bestätigen kann, der das Schwarze Loch im Film "Interstellar" von Christopher Nolan gesehen hat.

Kommentare:

  1. Genau das Bullet-Cluster haben wir letztlich auch in einer Experimentalphysik-Vorlesung diskutiert! Dann bin ich nach Hause gegangen und habe bemerkt, dass ich das Bild an der Wand zwischen vielen anderen Schnappschüssen aus dem Weltall hängen habe. Jetzt ist es noch viel schöner geworden :-)

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    1. Hey, das ist cool! :D Weltraumbilder werden in der Tat immer schöner und faszinierender, wenn man mehr über sie erfährt.
      Danke für deinen Kommentar!

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