dunkle Materie dunkle Energie
- – 29. Juni 2001
Kolloquium
WO IST DIE MATERIE?
Während der Woche vom 25. bis 29. Juni 2001 fand in Marseille ein internationales Kolloquium mit zweihundert Teilnehmern, darunter hundertvierzig Referenten, statt, dessen Thema „Wo ist die Materie?“ lautete. Es gab zudem einen Untertitel:
Verfolgung von sichtbarer und dunkler Materie mittels der neuen Generation großflächiger Durchmusterungen
Übersetzung:
Kartierung sichtbarer und dunkler Materie
mit Hilfe der neuen Großflächen-Beobachtungsmethoden.
Diese Begriffe haben große Bedeutung. Sie stellen gleich von Anfang an das Kolloquium in einen bestimmten Paradigmenrahmen. Es wird vorausgesetzt, dass das Universum ein einziges ist und zwei Inhalte besitzt: einen, der unseren Beobachtungsmitteln zugänglich ist (im sichtbaren, ultravioletten, infraroten Bereich, kurz gesagt: dort, wo Beobachtungen auf elektromagnetischen Wellen basieren), und einen anderen, der derzeit dieser Art der Untersuchung entgeht und unter dem übergeordneten Begriff „dunkle Materie“ (engl. „Dark Matter“) zusammengefasst wird. Wie können wir Beobachtungen durchführen, wie können wir diese dunkle Materie kartieren? Einerseits durch die Wirkung der gravitativen Linse, die im Allgemeinen viel zu stark ist, um allein durch die Anwesenheit sichtbarer Materie – seien es Galaxien oder Galaxienhaufen – erklärt zu werden; andererseits durch die kinematischen Parameter der beobachteten Objekte.
Schon vor der klaren Nachweisführung dieser „unverhältnismäßig starken“ gravitativen Linsenwirkungen hatten Personen wie Fritz Zwicky aufgrund der Analyse von Rotationskurven von Galaxien oder der Messung der Bewegungsgeschwindigkeiten von Galaxien in Haufen geschlossen, dass die optisch nachweisbare Materie nicht ausreichen könnte, um diese Systeme zusammenzuhalten. Unter Rotationskurven versteht man Messungen am interstellaren Gas, das sich im Gravitationsfeld der Galaxie bewegt, die mittels Doppler-Fizeau-Effekt durchgeführt wurden. Dieses Gas drehte sich offensichtlich zu schnell, insbesondere an den Rändern (Anwesenheit eines charakteristischen „Plateaus“). Galaxienhaufen werden als „Gaseinschlüsse“ betrachtet, wobei die Galaxien als „Moleküle“ fungieren. Die „eigenen Geschwindigkeiten“ der Galaxien, wie sie Astronomen nennen, entsprechen dann der thermischen Bewegungsenergie der Moleküle eines Gases, die zufällig in alle Richtungen verteilt sind. Beibehaltung dieser Gas-Analogie: Die Kombination aus „thermischer Bewegungsenergie“ und Dichte ergibt, was man als Druck bezeichnet (die Maßgröße für die kinetische Energie-Dichte der Bewegung pro Volumeneinheit). Ein interstellares Gaswolke zerfällt nicht, weil die Gravitationskraft die Druckkräfte ausgleicht, die sie auseinander treiben würden. Wenn man einen Haufen aus tausend Galaxien als eine Art Gaswolke betrachtet, kann man auch sagen, dass die Druckkräfte, die versuchen, diesen Haufen auseinanderzutreiben – berechnet aus den Messungen der Bewegungsgeschwindigkeiten der Galaxien und der nachweisbaren Masse – zu groß sind, um durch die Gravitationskraft ausgeglichen zu werden. Anders ausgedrückt: Kennt man die Masse des Haufens, kann man die Fluchtgeschwindigkeit berechnen. Wie Zwicky bemerkte, überschreiten die individuellen Geschwindigkeiten der Galaxien die Fluchtgeschwindigkeit des Haufens, zu dem sie gehören. Würde keine zusätzliche Kraft wirken, hätten diese Galaxien den Haufen längst verlassen. Gleiches gilt für die Sterne innerhalb der Galaxien. Das Problem ist also durchaus real. Die Frage liegt in der Interpretation dieses Phänomens.
Die einhellige Antwort der Astronomen trägt derzeit einen Namen: „dunkle Materie“, obwohl niemand bisher in der Lage war, die Natur dieser „dunklen Materie“ zu benennen. Doch niemand hat jemals ernsthaft bezweifelt, dass die beobachteten Effekte nicht von einem bisher nicht beobachteten, aber massiven, positiven Komponenten im (einzigen) Universum herrühren könnten. In diesem Kontext haben die Arbeiten zur „Kartierung des Unsichtbaren“ bereits begonnen. Anfangs beschränkte man sich darauf, zu sagen: „In diesem Galaxienhaufen muss eine bestimmte Masse M vorhanden sein, damit dieser Haufen nicht explodiert – oder, was dasselbe bedeutet, um die starken gravitativen Linsenwirkungen zu erklären, die er erzeugt (mehrfache Bilder, Hintergrundgalaxien verformt, diese Deformation reicht bis hin zur Ausdehnung zu Bögen)“. Später fügten Astrophysiker wie Albert Bosma, vom Laboratoire d’Astrophysique Marseille, zu denen ich gehöre, empirisch „Hüllen“ aus dunkler Materie, deren Natur nicht spezifiziert war, hinzu, um die Rotationskurven „anzupassen“ – ein anglistisches Wort für die Methode, durch empirische Anpassung die Geschwindigkeitsgesetze zu finden, die den beobachteten Werten entsprechen. Eine Reihe von Forschern beschäftigt sich nun ausschließlich mit der Berechnung der Verteilung der Materie in diesen unsichtbaren Hüllen aus dunkler Materie. Man nennt dies „Theorien nullter Ordnung“. Diese Tätigkeit, die keiner besonderen Fachkompetenz bedarf, ist rein technischer Natur. Diejenigen, die sich damit beschäftigen, suchen keinesfalls nach Hinweisen auf die Natur dieser dunklen Materie, die sie empirisch kartieren, geschweige denn nach den Prozessen, die ihre Anwesenheit in den Galaxien hervorgerufen haben. Da weder Natur noch Ursprung dieses Komponenten bekannt sind, ist es a fortiori unmöglich, eine „galaktische Dynamik“ zu konstruieren. Auf dem betreffenden Kongress hörte ich eine Amerikanerin einen Überblick über Modelle geben, in denen versucht wird, die Bildung von Galaxien zu beschreiben (aus kühler dunkler Materie, engl. „cold dark matter“ oder „CDM“). Alle diese Modelle stützen sich selbstverständlich nur auf das Newtonsche Gesetz (zusammen mit einem riesigen Computer, der alles berechnet). Sie bleiben wenig überzeugend, da unabhängig von den gewählten Anfangsbedingungen die entstandenen „Proto-Galaxien“ viel zu geringe Drehimpulse besitzen. So stellt sich eine der Fragen, die diese „neuen Theoretiker“ (Newton-Gesetz plus großer Computer) stellen, folgendermaßen dar: „Woher kommt der Drehimpuls der Galaxien?“ Wir sind hier eindeutig auf der Ebene der „Theorien nullter Ordnung“, egal ob bei Kartierungen oder Simulationen.
Seit 1999 haben Astrophysiker wie Yannick Mellier und Fort, gefolgt von einer halben Dutzend Teams an verschiedenen Orten der Welt, die Ergebnisse einer sechsjährigen Arbeit vorgelegt, die einem umfassenden Programm entsprechen. Wenn dunkle Materie im Universum, insbesondere in Galaxienhaufen, vorhanden wäre, würde sie gravitative Linsenwirkungen hervorrufen. Im Extremfall erzeugt dies fast kaleidoskopartige Bilder, wie sie der Hubble-Teleskop uns zeigen konnte, bei denen Objekte hinter einem Galaxienhaufen in eine Ansammlung mehrfacher Bilder zerplatzen und gegebenenfalls ein oder mehrere gravitative Bögen erzeugen. Man versteht nun, dass, wenn die vermuteten Konzentrationen dunkler Materie geringer sind, sie lediglich einfache Verzerrungen in den Galaxienbildern hervorrufen, indem sie der Bildellipse eine zusätzliche elliptische Form verleihen – rein optisch, die sich dann über die eigentliche Elliptizität der Galaxie legt. Mellier, Fort und diejenigen, die ihnen später folgten, entwickelten eine Methode zur Bildverarbeitung, bei der der Computer lokale Anisotropien in den Bildern erkennt (unter der Annahme, dass bei Abwesenheit einer gravitativen Linse die Hauptachsen der elliptischen Galaxienbilder zufällig verteilt sein sollten...