Neueste Erkenntnisse aus der Kosmologie.

Galaxien Darstellung
Galaxien Darstellung

Die Kosmologie ist seit Jahrzehnten mit der Erforschung der Dunklen Materie befasst.

Nun hat ein internationales Forscherteam aus der Analyse von Zusammenstößen von Galaxien neue Erkenntnisse zu den Eigenschaften dieser schwer messbaren Materieform gewonnen.

Dunkle Materie nur mit Methoden der Kosmologie erforschbar
Das Bemerkenswerte an der jüngst im Fachmagazin Science vorgestellten Forschungsarbeit ist die Tatsache, dass die Forscher tief in die Sterne gucken mussten, um ihre Erkenntnisse zur Dunklen Materie zu gewinnen. Ohne Kosmologie wäre es also nicht gegangen. Dabei gibt es die Dunkle Materie, deren Existenz bislang nur durch mathematisch-physikalische Modelle dargestellt werden kann, überall – also auch auf der Erde und um uns herum. Vermutlich ist sie sogar sechsmal stärker vertreten als die sichtbare Materie. Sie beeinflusst die Gravitation, zu beweisen ist ihre Wirkung daher am besten durch die Kosmologie. In fernen Galaxien, die miteinander kollidieren, wirken ganz eindeutig Kräfte der Dunklen Materie. Das lässt sich mit spektakulären Bildern aus den Tiefen unseres Universums und den entsprechenden Berechnungen belegen, wie ein internationales Astronomenteam nun belegt. Die Forscher konnten Dunkle Materie vermessen, die mit der „gewöhnlichen“, also sichtbaren Materie nur durch die Schwerkraft in Wechselwirkungen tritt. Das können Forschungen der Kosmologie beweisen: Wegen der enormen Masse der Dunklen Materie rotieren Galaxien schneller und/oder lenken das Licht durch den sogenannten Gravitationslinseneffekt ab.

Wie wandten Astronomen die Kosmologie als Nachweis an?
Die Forscher nutzten Bilder der Weltraumteleskope Hubble und Chandra, die insgesamt 72 Galaxienkollisionen zeigten, darunter sehr kleine und riesige mit unerhörten Auswirkungen auf die Gravitation. Wie der Erstautor David Harvey (Lausanner École Polytechnique Fédérale) berichtete, unterschieden sie die in den Galaxien aktive Materie nach drei Arten:

– leuchtende Sterne, die unserer Sonne ähneln
– interstellares Gas
– Dunkle Materie

Wenn Galaxien kollidieren, fliegen die meisten Sterne in riesigen Entfernungen aneinander vorbei. Manchmal aber wird ein Stern aus seiner Bahn geworfen. Interstellares Gas hingegen staut sich, wird gebremst und heizt sich dabei stark auf. Sterne und Gas trennen sich dabei. Durch den Gravitationslinseneffekt, den die Kosmologie schon seit Jahrzehnten relativ genau kennt, konnte bei den Kollisionen auch Dunkle Materie nachgewiesen werden. Diese sammelt sich im Zuge einer Kollision zwischen dem interstellaren Gas und den Sternen. Die Wissenschaftler konnten durch ihre Beobachtungen, durch statistische Modelle und durch den Abgleich mit früheren Modellen nachweisen, dass es Dunkle Materie gibt, dass aber einige Hypothesen zu ihr heute als veraltet gelten müssen. Der Gravitationslinseneffekt wiederum, den schon Isaac Newton ab 1704 vermutet und den Albert Einstein 1915/16 in der Relativitätstheorie auch quantitativ beschrieben hatte, konnten die Forscher nochmals präziser darstellen.

Nutzen der Forschungen für die moderne Kosmologie
Die Wissenschaftler hoffen, künftig mit noch schärferen Bildern ihre Berechnungen wesentlich genauer vornehmen und damit die Relativitätstheorie sogar präzisieren zu können. Eine wesentliche Hypothese, auf die sich die Kosmologie über Jahrzehnte gestützt hatte, mussten die Forscher verwerfen: Es gibt nicht die (in der Science Fiction so gern aufgegriffene) „symmetrische“ Dunkle Materie, bei der jedes Teilchen ein Pendant zur sichtbaren Materie wäre. Das hat Konsequenzen für die Kosmologie: Interstellare Raumflotten, die es noch in diesem Jahrhundert geben könnte, müssten sich auf unberechenbare Überraschungen durch Dunkle Materie gefasst machen. Bislang war man davon ausgegangen, dass Dunkle Materie zwar nicht sichtbar, aber durchaus gut berechenbar sei – eben wegen der vermuteten strukturellen Symmetrien zur sichtbaren Materie. Doch sie scheint gänzlich anderer Natur zu sein, für die bislang die Modelle fehlen. Neben der Kosmologie profitiert auch das europäische Kernforschungszentrum CERN von den jüngsten Erkenntnissen aus den Kollisionen von Galaxien. Im weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC sucht man ebenfalls nach Beweisen für Dunkle Materie, in diese Arbeiten fließen ab sofort die Daten der Galaxienkollisionen ein.