Das Universum, Teil 2

Astrophysik

Harald Lesch

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2011
• ISBN:
  9783831256976
• Thema: Ciencias físicas
• Thema: Astronomía y astrofísica

DIE DUNKLE MATERIEEs gibt eine Form von Materie, die ist ganz anders. Sie sendet keine Strahlung aus und sie schluckt auch keine Strahlung. Sie ist nur schwer und viel häufiger im Universum vertreten als die normale leuchtende Materie. Ohne sie gäbe es keine Galaxien, Sterne und Planeten. Was ist das?DIE DUNKLE ENERGIENach Einstein entspricht Energie einer Masse. Masse aber wirkt als Schwerkraft immer bremsend auf die Ausdehnung des Universums. Seit einiger Zeit aber wissen wir, dass es noch eine andere Energieform gibt. Eine, die die Ausbreitung des Universums sogar beschleunigt. Endet alles in einem zweiten Urknall?DIE INSEL DES LICHTSDie Galaxien sind wie hellerleuchtete Schiffe im dunklen Meer des Universums. In ihnen strahlen die Sterne. Es gibt Scheibengalaxien und elliptische Galaxien; Zwerggalaxien und Riesengalaxien. Wie sind sie entstanden und warum sind sie alle so unterschiedlich?DER TANZ DER GALAXIENViele Galaxien ziehen sich an, wie Mond und Erde. Die gegenseitige Schwerkraft lässt in den Galaxien Gezeiten wirksam werden. Gasströme rasen ins intergalaktische Medium, manche Galaxien verschmelzen miteinander, andere ändern ihre Form. Welche Kräfte sind da am Werk, dass sie sogar der Expansion des Universums trotzen?

Die Dunkle Materie

Astronomen sind Lichtdeuter. Sie bekommen Licht vom Himmel, von den Objekten des Himmels und deuten dieses Licht. Sie fangen es mit ihren Fernrohren oder Teleskopen ein, zerlegen es in einem Spektralapparat und versuchen herauszufinden: Woher kommt das Licht, und was sagt es uns? Von welchen Atomen ist das Licht ausgesandt worden? Sind es die Atome von Wasserstoff oder sind es vielleicht die von Eisen gewesen? Bewegt sich die Lichtquelle? Bewegt sie sich auf uns zu oder von uns fort? Ist also Strahlung in ihrer spektralen Eigenschaft verschoben? Ist die Spektrallinie gar nicht da, wo sie eigentlich sein sollte? Sondern ist sie vielleicht ins Blaue verschoben? Dann bewegt sich die Lichtquelle auf uns zu. Ist die Spektrallinie ins Rote verschoben? Dann bewegt sich die Quelle von uns weg. Das ist genau das, was Astronomen machen: Licht deuten.

Die Astronomen lesen aus dem Licht heraus, was Materie macht. Naturgemäß leuchten Materien.

Denn nur leuchtende Materie produziert Licht. Es gibt aber eine Form von Materie, die ist dunkel, die produziert kein Licht. Die absorbiert auch kein Licht, sie gibt weder Licht ab, noch nimmt sie Licht auf. Sie wirkt überhaupt nicht mit Licht, ganz und gar nicht.

Diese Dunkle Materie ist eines der großen Geheimnisse des Universums. Es gibt ungefähr zehnmal mehr Dunkle Materie, als leuchtende Materie.

Was wir am Himmel sehen, selbst mit unseren empfindlichsten Teleskopen, ist letztlich nur die Spitze des Eisberges. Die wirkliche Masse, die es im Universum gibt, von der gesamten Materienmenge sehen wir nur einen winzigen Anteil, der bei etwa fünf Prozent liegt.

Die Dunkle Materie zeigt sich allerdings auch, denn sonst würde ich nicht darüber reden können, das ist doch klar. Sie zeigt sich durch ihre Wirkung. Dunkle Materie wirkt.

Materie wirkt durch ihre Schwerkraft, durch die Massenkraft, die Kraft, die Massen aufeinander aus-üben. Und genau so hat man sie auch entdeckt. Man hat gemerkt, dass sich die Bewegungsmuster der leuchtenden Materie nicht mit den Massen erklären lassen, die in der leuchtenden Materie stecken.

Ein ganz einfaches Beispiel: Im Sonnensystem ist die Sonne die dominante Masse. Die Planeten bewegen sich um die Sonne herum, weil die Gravitation der Sonne dominiert und die Planeten träge sind. Eigentlich wollen sie ja von der Sonne weg. Aber die Bilanz dieser beiden Kräfte, nämlich Trägheit in die eine Richtung, Gravitation hin zur Sonne, führt dazu, dass die Planeten sich um die Sonne herum bewegen. Hier ist ein ganz klares Verhältnis, die Sonne dominiert. Deswegen bewegen sich die Planeten gemäß der Kepler-Rotation. Je weiter ein Planet von der Sonne entfernt ist, umso langsamer ist seine Geschwindigkeit. Ganz einfach.

Stellen wir uns jetzt eine Spiralgalaxie, eine schöne Scheibengalaxie vor. Die sichtbare Masse der Galaxie ist vielleicht in einem Bereich, wo wir sie noch sehen können. Jetzt beobachten wir eine Gaswolke ganz am Rande der Galaxie. Was würden wir denn erwarten? Da hier die Masse in der Galaxie konzentriert ist, würden wir erwarten, je weiter die Gaswolke von der Galaxie entfernt ist, umso kleiner wird ihre Rotationsgeschwindigkeit. Die Gaswolke hier draußen müsste sich eigentlich so verhalten wie die Planeten im Sonnensystem. Das ist aber nicht der Fall.

Die erwartete niedrige Geschwindigkeit da draußen, die wurde nicht gemessen. Es wurde eine viel höhere Geschwindigkeit gemessen. Eine so hohe Geschwindigkeit, dass man annehmen muss, dass um die sichtbare Galaxie herum ein riesengroßer „Halo“, wie wir Astonomen sagen, also eine Umgebung aus Dunkler Materie existieren muss.

Also nicht das, was wir an Galaxienbildern so sehen. Nicht die Spiralgalaxien, die es so gibt, oder Balkengalaxien, das sind gar nicht die wirklichen Massen, die in den Galaxien stecken. Es gibt um die Galaxien herum ein riesiges Reservat an Dunkler Materie. Und diese Dunkle Materie wirkt aufgrund ihrer Masse auf die Massen der Galaxien beschleunigend. Deswegen drehen die sich da draußen viel schneller, als sie es eigentlich tun dürften, wenn man nur die leuchtende Materie nähme. Das ist nicht ganz einfach.

Nehmen wir ein anderes Beispiel: heißes Gas. Die Teilchen in dem Gas haben eine hohe kinetische Energie und hohe Bewegungsenergie. Eigentlich ist es komisch, dass um Galaxien - große elliptische Galaxien, also große Kugeln - riesige Gebiete existieren, in denen man heißes Gas beobachtet hat.

Aber dieses heiße Gas produziert kein Licht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, sondern Röntgenstrahlung. Sie ist Millionen Grad heiß, teilweise 60 Millionen Grad, also richtig heiß.

Jetzt kann man Folgendes überlegen: Da steht diese elliptische Galaxie und um diese elliptische Galaxie herum das heiße Gas. Wieso ist das nicht schon längst verschwunden? 60 Millionen Grad, das ist doch viel zu heiß. Wie kann die Galaxie das halten? Sie muss sehr viel Masse haben, damit die Schwerkraft dieses heiße Gas halten kann.

Jetzt kann man die Sterne in der Galaxie zählen und damit die Masse der Galaxie bestimmen. Man kennt jetzt also die sichtbare Masse der Galaxie und stellt fest: Komisch, in der Galaxie ist weniger Masse als in dem heißen Gas. Irgendetwas stimmt hier nicht. Man würde doch erwarten, die Galaxie hält das heiße Gas um sicher herum fest, weil die Schwerkraft so groß ist. Deswegen konnte das Gas nicht verschwinden.

Aber es geht hier auch wie der nur mit Dunkler Materie. Das was das ganze Gebilde zusammen hält, also die Galaxie mit ihrem heißen Röntgen Halo, ist Dunkle Materie. Und davon gibt es mindestens zehnmal mehr im Universum, als es Leuchtmaterie gibt.

Jetzt kommt noch das Hammer-Beispiel. Das ist Theorie in Beobachtung umgesetzt. Schöner kann man es kaum machen. Es geht um Einstein und die Sache mit dem gekrümmten Raum.

Masse krümmt den Raum. Da wo Masse ist, ist der Raum gekrümmt. Auf der anderen Seite schreibt die Krümmung des Raumes den Massen vor, wie sie sich zu bewegen haben. Die Krümmung des Raumes ist auch die Oberfläche, auf der sich das Licht bewegt. Ein Lichtstrahl, der an einer Masse vorbeizieht, wird in seiner Richtung etwas verändert. Er wird gekrümmt, wie es so schön heißt.

Jetzt kommt das Verfahren schlechthin, wie man Materie nachweisen kann, die gar nicht leuchtet, aber schwer ist: Mit dem Verfahren der Gravitationslinse.

Dazu folgendes, einfaches Experiment:

Man hat irgendwo weit weg, ganz weit weg im Universum eine Galaxie, eine schöne, leuchtende Galaxie, mindestens eine, vielleicht auch ein paar mehr, man kann auch einen Galaxien-Haufen nehmen, egal. Hauptsache, es ist weit weg. Jetzt schaut man sich die Bilder an, die ein Teleskop von einem solchen Galaxien-Haufen aufnimmt.

Da gibt es immer wieder mal Galaxienhaufen, die zeigen so merkwürdige ringartige Strukturen. Und wenn man ganz genau hinsieht, also die Spektren des Lichtes der Galaxien untersucht, stellt man fest: Komisch, manche dieser Spektren sind völlig identisch. Die Bilder am Himmel sind anders, aber die Spektren sind identisch. Das ist dann ein Zeichen, bei dem der Astronom fragt: Na, das wird doch keine Gravitationslinse sein?

Dass nämlich unter Umständen das Abbild einer Galaxie am Himmel noch mal erscheint, weil der Raum durch Dunkle Materie, derart gekrümmt worden ist, dass die Lichtwege eben nicht mehr parallel, sondern dass sie gebogen sind und auf diese Art und Weise, wie mit einer schlechten Lupe verzerrte Bilder entstehen: Doppelbilder, Dreifachbilder, Vierfachbilder.

Wir Astronomen sind ja in der schönen Lage, dass die Objekte unserer Begierde nicht manipulierbar sind. Wir machen in diesem Sinne also keine Experimente. Das Experiment in der Astronomie ist sozusagen die Beobachtung. Und diese Gravitationslinsen-Experimente erlauben uns die Darstellung von Massenprofilen im Universum, weil man praktisch aus den Bildern, aus den verzerrten Bildern der Galaxien ableiten kann, welche Massen zwischen uns und diesen verzerrten Objekten, also nicht den Objekten selbst, sondern den Bildern dieser Objekte liegen, damit genau solche Abbildungsverzerrungen überhaupt zustande kommen? Ist das klar?

Also noch mal. Wenn Sie eine Landkarte anschauen, und Sie haben irgend eine Lupe, keine besonders gute, dann wird je nach dem, wie Sie die Lupe über die Karte halten, die Abbildung dieser Landkarte da sein, mal größer, mal kleiner. An den Rändern dieser Lupe sehen sie Verzerrungen. Das sind letztlich Beugungsmuster, weil die Lichtstrahlen nicht völlig parallel zu ihrem Raum kommen. So kann man praktisch aus den Verzerrungen auf die Eigenschaften der Lupe schließen. Nur besteht die Lupe beim Blick ins Universum nicht aus Glas, sondern aus Dunkler Materie.

Was ist nun die Dunkle Materie? Das ist die Frage. Sind das ausgebrannte Sterne, die einfach übrig geblieben sind? Oder Schwarze Löcher, die auch übrig geblieben sind? Alte Planeten, oder was? Übrig gebliebenes Gas, das nicht gereicht hat für ordentliche Galaxien? Nein, das alles ist es nicht.

Ich habe ja schon gesagt: Die Dunkle Materie ist ein Material, das nicht mit Strahlung wechsel wirkt, wie der Fachbegriff lautet. Das heißt, sie besteht nicht aus den Teilchen, aus denen Sie und ich bestehen.

Wir bestehen aus Protonen, Neutronen, Elektronen und so weiter. Dunkle Materie aber muss etwas völlig anderes sein. Und: Es gibt zehnmal mehr davon. Da sind wir Astronomen uns völ lig sicher. Alle diese Verfahren, die ich Ihnen eben erzählt habe, also die Rotationskurven von Galaxien, das heiße Gas um elliptische Galaxien, die Gravitationslinsen, alles das deutet darauf hin, dass es viel, viel mehr Dunkle Materie gibt als leuchtende Materie.

Es wird sicherlich auch eine Art von nicht leuchtender Baryonischer Materie geben, das ist kaltes Gas, ausgebrannte Planeten, abge fackelte Sterne, die schon lange nicht mehr leuchten. Aber selbst dieser Anteil ist winzig im Vergleich zu der Riesenmenge von Materie, die es da draußen geben muss, die keine Strahlung absorbiert, die sich nur durch ihre Schwerkraft bemerkbar macht. Nur dadurch.

Das muss eine Form von Teilchen sein, die zu der so genannten „Großen Vereinigten Theorie“ gehört.

Diese Teilchen müssen ganz am Anfang im Universums gewesen sein, lange bevor sich Protonen und Neutronen gebildet haben. Lange bevor die Materie sich von der Strahlung entkoppelte, hatte sich die Dunkle Materie schon von der Strahlung entkoppelt und konnte viel früher als die leuchtende Materie Gravitationspotentiale ausbilden. Zu diesen vorgeformten Potentialen ist die leuchtende Materie hinzu gekommen.

Daran wird schon klar, dass die Strahlungswechselwirkung von Dunkler Materie gleich Null sein muss.

Dunkle Materie ist etwas völlig anderes, als das, aus dem wir bestehen. Alles was wir am Himmel sehen, diese leuchtenden, netten Sterne, das ist alles nur ein ganz lauer Abglanz von dem, was sich da draußen tatsächlich abspielt.

Die Kraft, die uns das zeigt, ist die Königin der Kräfte, nämlich die Gravitation. Sie regiert das Universum auf der ganz großen Längenskala, auf den großen Entfernungen. Da kann man die anderen Kräfte, wie die starke und die schwache Kernkraft vergessen. In den großen Dimensionen des Universums regiert nur die Gravitation. Dass wir die Dunkle Materie überhaupt entdecken konnten, verdanken wir nur der Tatsache, dass sie eine Schwerkraftwirkung hat.

Also in diesem Sinne gilt hier der Witz von dem besoffenen Mann, der unter einer Laterne seinen Schlüssel sucht. Da kommt ein Passant vorbei und sucht mit. Nach einer Weile fragt der Passant:

„Sagen Sie mal, haben Sie den Schlüssel hier überhaupt verloren?“

„Das nicht, aber hier habe ich wenigstens Licht.“

Die Dunkle Energie

Die Dunkle Energie, das ist kein einfaches Thema. Wundern Sie sich nicht, wenn Sie es nicht sofort verstehen, das ist kein Wunder. Wie ist man überhaupt auf den Gedanken gekommen, dass es so etwas gibt?

In den 1990er Jahren haben Astronomen sich darum gekümmert, wie man Entfernungen bestimmen kann. Da hat man genauer darüber nachgedacht, wie weit etwas von uns entfernt ist. Da gab es ein Verfahren mit Hilfe von Supernovae, also von explodierenden Sternen, aber nur vom „Typ 1a“.

Die Supernovae vom Typ 1a zeichnen sich dadurch aus, dass sie praktisch unabhängig von der Entwicklungsgeschichte des Universums überall im Universum gleich funktionieren. Sie sind die perfekte Standardkerze. Wenn man die Helligkeit einer solchen Supernova vom Typ 1a einmal kennt, dann kann man mit der Formel „Eins durch r-Quadrat“ die Leuchtkraft dieser Supernova auf eine Entfernung umrechnen, denn die Leuchtkraft fällt mit dem Quadrat des Abstandes.

Wenn ich also die Leuchtkraft kenne, hier an irgendeinem Ort in unserer kosmischen Nähe, dann kann ich sozusagen die Standardkerze eichen. Dann weiß ich, wie hell das Ding ist. Wenn ich dann irgendwo eine Supernova von Typ 1a messe, dann weiß ich also aus dem Verhältnis ihrer Leuchtkraft zur Leuchtkraft meiner geeichten Kerze, meiner geeichten Supernova, wie weit diese Supernova von uns entfernt ist. Mit diesem Messverfahren fing eigentlich alles an.

Da explodiert ein Stern, diese Sternenexplosion produziert immer die gleiche Menge an Leistung. So hat man einen wunderbaren, standardisierten Entfernungsmesser, einen prima Zollstock.

Aber dann hat man etwas gemerkt, das wiederum komisch war: Dieses Gesetz der Entfernungsabhängigkeit der Leuchtkraft dieser Standardkerzen trifft ab einer bestimmten Entfernung offenbar nicht mehr zu.

Eine Supernova-Explosion vom Typ 1a, bei einer bestimmten Rotverschiebung - die Rotverschiebung ist ja nichts anderes als die Verschiebung der Spektrallinie ins Rote und damit ein Maß für die Expansion des Raumes im Universum - und ab einer Zeit so vor fünf bis sechs Milliarden Jahren, da hat sich offenbar irgend etwas verändert. Was?

Die erste Idee ist natürlich: Vielleicht gibt es doch zwei verschiedene Bevölkerungsgruppen von Supernova vom Typ 1a. Die einen sind vielleicht ein bisschen schwächer als die anderen. Das war die erste Idee. Das ließ sich aber nicht halten. Man hat überhaupt keinen Hinweis, dass es da irgendeinen Unterschied gibt, Supernova von Typ 1a sind alle gleich.

Ja wieso sind die dann schwächer? Was ist denn da passiert? Ganz einfach. Die Expansion des Universums hat sich beschleunigt. Seit sechs Milliarden Jahren beschleunigt sich die Expansion des Universums entgegen den alten kosmologischen Modellen. Von denen gab es ja verschiedene.

Das eine Modell ist, dass das Universum wieder in sich zusammenfällt - zuviel Dichte. Das andere: Das Universum expandiert, wie wahnsinnig – zu wenig Dichte. Die dritte Variante ist, dass alles exakt auf der „goldenen Mitte“ angesiedelt ist. Man spricht von einem so genannten „Omega gleich Eins Universum.“ Also wenn die Energiedichte im Universum genau der kritischen Dichte entspricht. Und so scheint es zu sein.

Aus den Beobachtungen dieser abgeschwächten Supernovae fand man heraus, dass die Expansion des Universums sich seit etwa sechs Milliarden Jahren beschleunigt. Und was noch viel toller ist, man hat Supernovae von Typ 1a mit ganz hohen Rotverschiebungen beobachtet. Dort fand man heraus, dass sich damals, also bei ganz hohen Rotverschiebungen, offenbar die Expansionsgeschwindigkeit des Universums verringert hat.

Jetzt haben wir zumindest physikalisch ein klares Bild. In der ganz frühen Phase des Universums war die Materie offenbar Materie-Gravitation, das heißt die Expansion des Universums wird durch die Materie abgebremst. Es gab also eine Phase, wo die Expansion des Universums durch Materie dominiert war. Und dann muss es aber einen Tag gegeben haben, wo die „Dunkle Energie“ - jetzt benutze ich das Wort schon einmal - übernommen hat, die entgegen der Gravitation der Materie die Expansion des Universums seitdem auseinander treibt. Das ist praktisch so eine Art Hefeteig. Das Universum geht auf, weil die Masse, die im Universum steckt, nicht mehr ausreicht, um die Expansion zu stoppen, beziehungsweise zu dominieren. Seit 6 Milliarden Jahren ist das so.

Seit dieser Zeit ist die Dunkle Energie die dominierende Energie im Universum.

Jetzt haben wir einen neuen Namen kreiert, „Dunkle Energie.“ So unter uns, ich könnte auch sagen „hilf lose Energie.“ Ich weiß nicht wirklich, was das ist. Ich meine, alle kennen die Geschichte: Energie ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Das ist klar. Aber wenn das so wäre, dann würde diese Energie, von der ich gerade gesprochen habe, wieder einer Masse entsprechen. Dann hätte man wieder eine Gravitation, dann würde man nicht verstehen, warum die Expansion höher beschleunigt? Ver...

Inhaltsverzeichnis

• Die Dunkle Materie