Was ist Dunkle Materie?

Dunkle Materie Gitternetz

Seit langer Zeit wird nach dem mysteriösen Unbekannten gesucht und vermutet wird ein exotisches Teilchen, das mit „normaler“ Materie nicht reagiert. Es gab schon viele Theorien darüber, z.B. Miniatur-Schwarze Löcher die kleiner als ein Atom seien sollen und so nur durch ihre Schwerkraft auffallen, ohne bzw. nur super selten dabei mit normaler Materie zu kollidieren. Eine noch abenteuerlichere Theorie ist das Wirken von Schwerkraft aus Paralleluniversen.

In laufenden Forschungsprojekten wird nach unbekannten, exotischen Elementarteilchen jenseits des Standardmodells gesucht. Mit Hilfe von dicht gepackten Atomen, die tief im Inneren der Erde eingegraben sind und von hoch sensiblen Messinstrumenten beobachtet werden, wird jegliche Interaktion mit einem Teilchen gemessen. In der Hoffnung, dass bei einer Kollision die Energiesignatur eine andere ist, als die, die man schon kennt wie z.B. die von Neutrinos, die es auch schaffen dorthin zu gelangen.

Definition des Begriffs Materie

Um über den Begriff Dunkle Materie zu sprechen, sollte man zunächst die „normale“ Materie definieren: Materie ist alles, was man sehen und anfassen kann und aus den Elementen des Periodensystems besteht; also Planeten, Sonnen, Galaxien, auch Gas- und Staubwolken, … Alle haben etwas gemeinsam: Sie interagieren miteinander. Das heißt sie kollidieren und gehen chemische Verbindungen ein.

Warum Dunkle Materie?

Nein wir sind nicht bei Star Wars, wo es eine helle und eine dunkle Seite der Macht gibt, sondern ganz einfach, weil man sie nicht sieht und das heiß nicht nur mit den Augen nicht, sondern es wechselwirkt einfach überhaupt nicht mit Materie. Der einzige Grund warum wir uns den Begriff Dunkle Materie überhaupt ausdenken mussten ist, weil man seine Anziehungskraft messen und sehen kann.

Bei der Kollision von Galaxien bremst eine unbekannte Anziehungskraft die Masse derart stark ab wie sie mit der sichtbaren Materie nicht zu erklären wäre. Genauso bei der Rotation von Galaxien, dürften sich ohne die zusätzliche Anziehungskraft unbekannter Herkunft die äußeren Bereiche nicht so stark mitdrehen, wie wir es beobachten. Und zu guter Letzt können wir anhand der Krümmung des Lichts durch Gravitationslinsen die Masse bestimmen, welche die Krümmung hervorbringen müsste und auch dort ist der berechnete Wert der sichtbaren Materie viel kleiner als die Krümmung die wir tatsächlich beobachten und messen können. Also muss es etwas geben, das diese zusätzliche Gravitation hervorbringt, die Dunkle Materie.

Natürliche Raumzeitkrümmung - eine Eigenschaft des Raums selbst?

Durch Einstein haben wir gelernt, dass Masse die Raumzeit krümmt und durch das Äquivalenzprinzip ebenso die beschleunigte Bewegung. So haben wir Schwerkraft definiert und so können wir Modelle erstellen und Simulationen durchführen um zu testen, wie sich die Dinge im Universum bewegen. In den Computermodellen wird eine zusätzliche Kraft einprogrammiert, die der fehlenden Anziehungskraft entspricht um Galaxien zu erschaffen die so funktionieren wie wir sie am Himmel beobachten können.

Was wäre jedoch, wenn die Grundannahme, dass die Raumzeit in einem Materie-leeren Universum vollkommen flach sei, falsch ist? Durch die Unterschiede in der Hintergrundstrahlung wissen wir ja schon, dass nicht alles 100%tig synchron abgelaufen sein kann, denn sonst wäre die Temperatur überall exakt dieselbe. Wenn also der Urknall und die folgende Inflationäre Phase partiell schneller abgelaufen ist, als an anderen Stellen, könnte die Raumzeitdehnung auch unterschiedlich stark ausgefallen sein.

Als Analogie können wir das altbewährte gespannte Küchentuch betrachten, das die flache Raumzeit repräsentiert. Legt man dann einen schweren Gegenstand darauf, erzeugt das eine Beule in dem Tuch. Das repräsentiert die Raumzeitkrümmung, ausgelöst durch Materie. Widmen wir uns nun wieder der flachen Raumzeit, wenn keine Materie vorhanden ist. Ein perfektes Tuch wäre vollkommen flach. Doch nehmen wir mal an, der Fabrikant hat Fehler im Herstellungsprozess der Tücher und manche Maschen, aus denen der Stoff besteht sind größer als andere. Dann würden sich partiell kleine Beulen bilden, ohne dass ein Gegenstand drauf liegt, da durch die größeren Maschen manche Stellen mehr Stoff enthalten als andere. Was wir dann hätten, wäre eine Raumzeitkrümmungen die Schwerkraft erzeugt, ohne das Vorhandensein von Materie.

Warum gesellt sich Materie gerne mit Dunkler Materie?

Die erste normale Materie des Universums entstand im Prinzip überall mehr oder weniger gleichzeitig. Als durch die Expansion der Raumzeit die Temperatur soweit abgekühlt war, bis die Starke Kernkraft größer war als die Schwingungsenergie der Elementarteilchen, konnten sich stabile Atome bilden. Diese haben sich dann durch Schwerkraft zusammengefunden und haben die Strukturen erzeugt, die wir heute kennen. Dabei gewannen natürlich die Bereiche im Universum, die durch ihre bereits vorhandene Schwerkraft – hervorgerufen durch die grobmaschig gekrümmte Raumzeit - eine Anziehung ausüben konnten.

So ist immer eine reichliche Menge normaler Materie in der Umgebung von Dunkler Materie zu finden, welche die eh schon vorhandene Schwerkraft durch ihre Masse noch zusätzlich erhöht. Dadurch können wir eine größere Schwerkraft wirken sehen, als die Berechnung der sichtbaren Materie erlauben würde.

Beweise für die grobmaschige Raumzeit finden wird schwierig

Seit einiger Zeit denke ich darüber nach wie man die Eigenschaften der Raumzeit selbst messen könnte um eine mögliche Maschenstruktur zu erkennen die dann auch noch unterschiedlich lange Maschen hat. Das wird schwierig! Man bräuchte 2 Messpunkte, einen in der Dunkle Materie wirkt und eine, in der sie nicht vorhanden ist um die Messwerte dann zu vergleichen. Dann stellt sich noch die Frage, ob sich die Raumzeit selber „bewegt“, denn sollte sie das tun, würde sich die Dunkle Materie ja mitbewegen und dieser Punkt wird gerade aktuell wieder in Frage gestellt. Der mögliche Messfehler, der durch die Annahme Supernovae vom Typ 1a laufen überall gleich ab, entscheidet ja über die Existenz der Dunklen Energie und ob die Raumzeit immer noch expandiert.

Fazit

Bild: Universum in der Nussschale

Es ist natürlich nur eine sehr vage Theorie, aber sie ist auch nicht viel schlechter als das was das Standardmodell vermutet und nicht findet. Der einzige Vorteil, sollte ich unrecht haben ist, dass ein exotisches Teilchen irgendwann im Teilchenbeschleuniger nachgewiesen werden kann und wir dann Gewissheit haben.

Trotz allem werden durch die Lösung dieses Problems wieder viele neue Fragen und Probleme entstehen. Leider reichen weder mein Wissen noch meine Mittel aus um mich diesen Problemen zu stellen, aber vielleicht erreiche ich ja jemanden mit dieser Idee, der beides hat und an dieser Stelle das Ruder übernehmen kann. Denn schließlich sitzen wir alle in derselben Nussschale und schippern, von Kräften fremdgesteuert die wir zu verstehen versuchen, ahnungslos durch die Raumzeit.