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.

Finden, was man nicht sehen kann - mit Lupen, die man nicht bauen kann

Kennt ihr das, wenn einem irgendetwas oder irgendjemand die Sicht verstellt? Ihr seid bei einem Konzert, steht in der Menge und ärgert euch, weil ihr einfach nicht an eurem Vordermann vorbeischauen und nur selten einen längeren Blick auf die Lieblingssängerin auf der Bühne werfen könnt? Ihr wollt die Auslage eines Geschäfts auf der anderen Straßenseite betrachten, seht sie aber nicht, weil die Straßenbahn gerade davor hält? Ihr sitzt in einem Klassenzimmer oder Seminarraum und könnt einfach nicht lesen, was auf der Tafel steht, sondern nur den T-Shirt-Spruch des Kollegen in der ersten Reihe?

Zumindest mir ist es schon oft so ergangen. Und niemals hätte ich mir (vor meiner Beschäftigung mit der Physik) gedacht, dass es im Prinzip eine Möglichkeit in der Natur gibt, Objekte zu sehen, die von anderen verdeckt werden. Das Phänomen, welches ich hier meine, nennt man Gravitationslinseneffekte. Es handelt sich um einen im Grunde relativ simplen, aber dennoch sehr verrückten Mechanismus, von dem es verschiedene Varianten gibt. Zwei dieser Varianten, nämlich den starken und den schwachen Gravitationslinseneffekt, werde ich heute kurz vorstellen. Eines kann ich euch gleich jetzt verraten: Die tatsächlichen Bilder von astronomischen Beobachtungen sind beeindruckend und faszinierend!

Das Universum im Duschwasser

Wirbel in einer Wasserflasche.
(Credit: Robert D Anderson,
via Wikimedia Commons)

Wisst ihr, was eines der schönsten und reizvollsten Dinge an der Physik ist? - Ihre Gesetze gelten überall, sei es hier auf der Erde oder am anderen Ende des Universums (1), sei es gestern, heute oder in der Zukunft (2), sei es im kleinen Maßstab oder im großen. Genau diese Tatsache soll durch die Legende von Newton veranschaulicht werden, als ihm anscheinend ein Apfel auf den Kopf fiel und er erkannte, dass die selben Gesetze, die dessen Bewegung beschreiben, gleichermaßen für die Planetenbahnen gelten.

Ich möchte heute ein Beispiel dafür geben, wie die physikalischen Gesetze sowohl auf kleine als auch auf große Phänomene anwendbar sind: Wir werden das Wasser im Abfluss unserer Dusche betrachten und versuchen, Parallelen zu physikalischen Vorgängen auf viel größeren Skalen herzustellen, wobei wir sehen werden, dass unsere Beobachtungen schließlich überhaupt nichts mit dunkler Materie zu tun haben, wir daraus aber dennoch eine Menge lernen können.
Bereits verwirrt? - Dann lasst uns das ganze nochmal Schritt für Schritt durchgehen!

Schwerelos am Äquator (Whiteboard-Skizze I)

Die Erde rotiert momentan in etwa 24 Stunden ein Mal um ihre eigene Achse, wodurch Tag und Nacht entstehen. Genauso wie auf einem Karussell werden ihre Bewohner (und übrigens auch alles Material der Erde selbst) durch die Fliehkraft bzw. die Zentrifugalkraft "nach außen" gedrückt. Auf uns wirkt aufgrund der Erddrehung also ständig eine Kraft "nach oben". Allerdings ist die Zentrifugalkraft um einiges schwächer als die zum Erdkern gerichtete Zentripetalkraft, also die gewohnte Schwerkraft bzw. Gravitation - wäre dies nicht so, könnten wir uns nur schwer auf dem Erdboden halten. (Auch der Erdboden könnte sich nicht "auf dem Erdboden" halten und würde ins All geschleudert werden.)