Kosmologie

Dunkle Materie in der Krise?

Eine neue Beobachtung stellt die Astronomen vor Rätsel. Demnach scheint zwischen der Verteilung Dunkler und sichtbarer Materie in Galaxien ein unerwarteter Zusammenhang zu bestehen. Die Studie erscheint in der kommenden Ausgabe der Zeitschrift "Nature". An der Forschungsarbeit war auch ein Gastwissenschaftler der Universität Bonn maßgeblich beteiligt. Seiner Meinung nach lassen die Beobachtungen nur zwei Schlüsse zu: Entweder die bisherigen Annahmen über die Natur der Dunklen Materie sind in einem wichtigen Punkt falsch - oder es gibt sie gar nicht.
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Austausch zwischen dunkler und sichtbarer Materie

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 den mysteriösen Sternenkitt tatsächlich nachweisen können.

Das liegt auch daran, dass Dunkle Materie unsichtbar ist. Nach der aktuellen Lehrmeinung kann sie im Prinzip nur auf eine einzige Weise mit "normaler" Materie interagieren: durch Gravitation, die Kraft also, die uns auf dem Boden hält. 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."
Bei der Millennium-Simulation berechneten Forscher im Jahr 2005 verschiedene Szenarien, wie sich das Universum nach dem Urknall entwickelt hätte, wenn es zum größten Teil aus Dunkler Materie bestände. Es bildeten sich stets Filamente aus Dunkler Materie (violett), entlang deren Schwerkraft sich dann auch die sichtbare Materie orientierte (gelb).

Bei der Millennium-Simulation berechneten Forscher im Jahr 2005 verschiedene Szenarien, wie sich das Universum nach dem Urknall entwickelt hätte, wenn es zum größten Teil aus Dunkler Materie bestände. Es bildeten sich stets Filamente aus Dunkler Materie (violett), entlang deren Schwerkraft sich dann auch die sichtbare Materie orientierte (gelb).

Zusammen mit Kollegen aus Belgien, Schotland und Italien hat Famaey 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.

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 verläuft der "Sternentanz" 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", meint Benoit Famaey. 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", erklärt Professor Dr. Pavel Kroupa vom Bonner Argelander-Institut für Astronomie. "Sie sind ein weiterer eindrucksvoller Hinweis, dass die Newton'sche 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." 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."

Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn