Dunkle Materie Gravitation Kosmologie Astrophysik

Nachdruck des Artikels aus Le Monde vom Freitag, den 17. März 2000

Wenn die dunkle Materie den Lichtweg ablenkt, dann existiert sie zweifellos

Die Verzerrung von Bildern entfernter Galaxien beweist die Existenz riesiger, unsichtbarer Objekte. Seit Jahren versuchen Astronomen, die dunkle Materie (90 % der Materie im Universum) nachzuweisen. Zahlreiche Hypothesen wurden aufgestellt, um die Natur dieses durch Teleskope unerreichbaren Mediums zu erklären: massive Objekte (Braune Zwerge) und elementare Teilchen (Neutrinos). Doch bisher hat sich kein Konsens ergeben. Daher vermutet man, dass diese Materie aus theoretischen, noch nicht entdeckten Teilchen bestehen könnte. Die Astronomen sind sich einig: 90 % der Materie im Universum entziehen sich den Blicken ihrer Teleskope. Auf den Aufnahmen erscheinen lediglich Galaxien und die Milliarden Sterne, aus denen sie bestehen, dunkle oder helle Nebel, die den Himmel durchziehen, sowie gewaltige Energieblitze, deren Entstehungsmechanismen noch nicht vollständig verstanden sind (...). Durch technologische Fortschritte haben sich neue Fenster im Infraroten, Ultravioletten, Röntgen- und Gamma-Bereich geöffnet. Kürzlich haben die Astronomen auch die Neutrino-Astronomie erschlossen – Teilchen, die zwar flüchtig sind, aber erheblich zur Gesamtmasse des Universums beitragen könnten. Doch die Theoretiker wissen genau, dass selbst dies nicht ausreicht, um das Wesentliche des Universums zu erfassen. Die astronomische Gemeinschaft bleibt auf ein begrenztes Erfahrungsfeld beschränkt – lediglich 10 % des Gesamten –, das ihr zur Verfügung steht. Genau aus diesem Grund suchen sie seit vielen Jahren nach der berühmten dunklen Materie, dem zentralen Baustein unseres Universums. Eine Forschergruppe des Instituts für Astrophysik Paris, verbunden mit französischen Astronomen (CEA Saclay, Canada-France-Hawaii-Teleskop (CFHT) und Laboratoire d'Astronomie Spatiale Marseille) sowie internationalen Kollegen (Kanada, Deutschland, USA), hat nun ein neues Fenster in diese Welt geöffnet. Kurz vorher hatten bereits eine britische Gruppe unter der Leitung von Richard Ellis (Cambridge und Caltech) und eine amerikanische Gruppe unter Tyson (Bell Labs, New Jersey) diese Ergebnisse teilweise bestätigt.

Wie gelang es den Forschern, das Unsichtbare zu überwinden und die Existenz dieser dunklen Materie zu bestätigen? Indem sie ein Prinzip nutzten, das besagt, dass Licht in der Nähe einer massiven Materiemenge (Sonne, Galaxienhaufen) durch die Gravitation abgelenkt wird. Diese Hypothese wurde bereits mehrfach bestätigt. Doch die Astronomen fragten sich, ob derselbe Effekt auch bei der dunklen Materie beobachtet werden könnte, die vermutlich wenig dicht ist, aber in riesigen Mengen existiert. Wenn dies der Fall wäre, würde diese dunkle Materie ihre Anwesenheit verraten, ohne selbst gesehen werden zu können. „Kosmisches Astigmatismus“. „1991“, erklärt Yannick Mellier vom Institut für Astrophysik Paris, „sagte die Theorie voraus, dass entfernte Objekte wie Galaxien aufgrund der Anwesenheit großer Mengen dunkler Materie auf ihrem Lichtweg leicht verzerrt erscheinen und längliche Ellipsenformen aufweisen würden. Doch dieser Effekt kosmischer Astigmatismus war nach Berechnungen so schwach, dass seine Messung fast unmöglich schien.“ Außerdem fehlte den Forschern damals ein theoretisches Modell, um mögliche Messungen zu validieren, ebenso wie Kameras mit ausreichender Leistungsfähigkeit, um sie durchzuführen. Seitdem wurde die CFH 12K-Kamera entwickelt, und der Kanadier Ludovic Van Waerbeke hat spezielle Analysetools für dieses Forschungsprogramm entwickelt. Nach fünf Jahren, in denen die Forscher etwa 200.000 entfernte Galaxien, die mit dem Canada-France-Hawaii-Teleskop aufgenommen wurden, analysierten, konnten sie endlich ihre Ziele erreichen. Heute erscheinen auf den Himmelsaufnahmen des CFHT, nach entsprechender Bearbeitung, Hunderte winziger grünlich-blauer Ellipsen – jeweils eine Galaxie. Kann man daraus also schlussfolgern, dass dieses Phänomen tatsächlich durch eine gravitative Ablenkung des Lichts von Galaxien verursacht wird? „Unbedingt“, antwortet Yannick Mellier. „Ohne Materie auf dem Weg der Lichtstrahlen – also ohne gravitativen Effekt – erscheinen selbst elliptische Galaxien als kleine runde Punkte. Im Gegensatz dazu ist das Bild voller winziger Ellipsen. Außerdem neigt der gravitative Effekt dazu, diese Galaxien zu organisieren – ähnlich wie ein Magnet, der Eisenfeilspäne nach den Linien eines Magnetfeldes ausrichtet.“ Unbekannte Teilchen. Genau diese kaum wahrnehmbaren Verzerrungen und die Neuorganisation der Galaxien ermöglichen die Schlussfolgerung, dass das Licht durch diffuse, unsichtbare Materiefilamente abgelenkt wurde. Eine Materie, deren Dichte gering ist (im Gegensatz zu der der Sonne oder Galaxienhaufen), deren Effekte aber dennoch wahrnehmbar sind, bedingt durch ihre enorme Ausdehnung: 100 Millionen bis eine Milliarde Parsec (1 Parsec entspricht 3,36 Lichtjahren). Für Vergleichszwecke: Unsere Galaxie ist in ihrer größten Ausdehnung nur 34.000 Parsec groß. Auf dem dreidimensionalen Modell, das die französische Forschergruppe am Computer rekonstruiert hat, ist der Effekt beeindruckend. Auf ihrem Weg zu uns ändert das Licht ständig seine Richtung in der Nähe dieser Filamente, die wie ein Gruyère im Raum erscheinen. Eine Struktur, die die Geschichte des Universums erzählt und die ursprünglichen Bedingungen seiner Entstehung enthüllt. Denn die dunkle Materie, die unseren Blicken entgeht, ist nicht von der gleichen Art (baryonisch) wie die Materie, aus der Sterne und wir selbst bestehen. Laut Theoretikern besteht sie aus noch unbekannten Teilchen – WIMPs, Axionen, supersymmetrische Teilchen usw. –, die noch entdeckt werden müssen. Eine neue Tür hat sich gerade geöffnet, und die Astronomen werden sie nun nutzen. In zwei Jahren wird am CFHT eine viermal größere Kamera, die MégaCam, entwickelt vom CEA Saclay, in Betrieb genommen. In weiterer Zukunft ist die Einrichtung eines Netzwerks aus etwa hundert Teleskopen mit einem Durchmesser von einem Meter geplant, sowie der Start eines amerikanischen Satelliten, Snapsat, der den explosiven Sternen (Supernovae) gewidmet ist, aber auch die Effekte der dunklen Materie verfolgen kann.

Jean-François Augereau