dunkle Materie dunkle Energie

25. – 29. Juni 2001

Kongress

WO IST DIE MATERIE?

Während der Woche vom 25. bis 29. Juni 2001 fand in Marseille ein internationaler Kongress statt, an dem zweihundert Teilnehmer, darunter hundertvierzig Referenten, teilnahmen, dessen Thema „Wo ist die Materie?“ lautete. Außerdem gab es einen Untertitel:

Verfolgung von sichtbarer und dunkler Materie mithilfe der neuen Generation großflächiger Durchmusterungen

Übersetzung:

Kartierung sichtbarer und dunkler Materie

mittels neuer großflächiger Beobachtungsmethoden.

Diese Worte haben große Bedeutung. Sie positionieren den Kongress unmittelbar innerhalb eines Paradigmas. Es wird vorausgesetzt, dass das Universum ein einziges ist und zwei Inhalte besitzt: einen, der unseren Beobachtungsmitteln zugänglich ist (im sichtbaren Bereich, im Ultraviolett, im Infrarot, kurz gesagt, wo Beobachtungen auf elektromagnetischen Wellen basieren), und einen anderen, der derzeit dieser Art der Untersuchung entgeht und unter dem allgemeinen Begriff „dunkle Materie“ (englisch: dark matter) beschrieben wird. Wie können Beobachtungen durchgeführt und diese dunkle Materie kartiert werden? Einerseits aufgrund der Effekte der gravitativen Linse, die im Allgemeinen viel zu groß sind, um durch die alleinige Anwesenheit sichtbarer Materie – seien es Galaxien oder Galaxienhaufen – erklärt zu werden; andererseits aufgrund der kinetischen Parameter der beobachteten Objekte.

Schon vor der Nachweisbarkeit dieser „unnormal großen“ gravitativen Linseneffekte hatten Personen wie Fritz Zwicky, basierend auf der Analyse von Rotationskurven von Galaxien oder der Messung der Bewegungsgeschwindigkeiten von Galaxien in Haufen, geschlossen, dass die optisch nachweisbare Materie nicht ausreichen könne, um die Kohäsion dieser Systeme zu gewährleisten. Unter Rotationskurven versteht man die Messungen am interstellaren Gas, das sich im allgemeinen Gravitationsfeld bewegt, durch den Doppler-Fizeau-Effekt. Dieses Gas drehte sich offensichtlich zu schnell, insbesondere an seiner Peripherie (Anwesenheit eines charakteristischen „Plateaus“). Galaxienhaufen werden mit „Gaszuckeln“ verglichen, wobei die Galaxien als „Moleküle“ gelten. Die „eigenen Geschwindigkeiten“ der Galaxien, wie sie Astronomen nennen, entsprechen dann der thermischen Bewegungsenergie der Moleküle eines Gases, zufällig in alle Richtungen verteilt. Behält man diese Analogie zum Gas bei, führt die Kombination aus „thermischer Bewegung“ und Dichte zu dem, 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 Gaszuckel betrachtet, kann man auch sagen, dass die Druckkräfte, die ihn auseinander treiben wollen, 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. Das gilt auch für die Sterne in Galaxien. Das Problem ist also durchaus real. Die Frage ist lediglich die Interpretation dieses Phänomens.

Die einmütige Antwort der Astronomen trägt derzeit einen Namen: „dunkle Materie“, obwohl niemand in der Lage war, die Natur dieser „dark matter“ anzugeben. Doch niemand hat jemals die Existenz eines solchen nicht beobachteten, positiv geladenen Komponenten, ruhig im (einzigen) Universum vorhanden, in Frage gestellt. 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 auf dasselbe hinausläuft, um die starken gravitativen Linseneffekte zu erklären, die er hervorruft (mehrfache Bilder, Hintergrundgalaxien verzerrt, diese Verzerrung reicht bis zur Ausdehnung zu Bögen).“ Später fügten Astrophysiker wie Albert Bosma, vom Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, zu dem ich gehöre, empirisch „Hüllen“ aus dunkler Materie, deren Natur nicht genau spezifiziert wurde, hinzu, um die Rotationskurven „anzupassen“ – ein anglistisches Wort, das die empirische Methode bezeichnet, die Gesetze der Geschwindigkeit entsprechend den Beobachtungswerten wiederzugeben. Eine Reihe von Personen beschäftigt sich nun ausschließlich mit der Berechnung der Verteilung der Materie in diesen unsichtbaren Hüllen aus dunkler Materie. Das nennt man „Theorien nullter Ordnung“. Diese Tätigkeit, die keiner besonderen Kompetenz bedarf, ist rein technisch. Diejenigen, die sich damit beschäftigen, suchen keineswegs Hinweise auf die Natur dieser dunklen Materie, die sie empirisch kartieren, geschweige denn auf die Prozesse, die ihre Anwesenheit in Galaxien hervorgerufen haben. Da weder Natur noch Herkunft dieses Komponenten bekannt sind, ist es a fortiori unmöglich, eine „galaktische Dynamik“ aufzubauen. 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, englisch: cold dark matter oder „CDM“). Alle diese Modelle stützen sich natürlich nur auf das Newtonsche Gesetz (plus einen riesigen Computer, der all das berechnet). Sie sind wenig überzeugend, da unabhängig von den eingesetzten Anfangsbedingungen die entstandenen „Proto-Galaxien“ viel zu geringe Drehimpulse besitzen. So war eine der Fragen, die diese „neuen Theoretiker“ (Newton-Gesetz plus großer Computer) aufwarfen: „Woher kommt der Drehimpuls der Galaxien?“ Wir sind hier also 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 veröffentlicht, die einem umfangreichen Programm entsprachen. Wenn dunkle Materie im Universum, insbesondere in Galaxienhaufen, vorhanden wäre, würde sie gravitative Linseneffekte hervorrufen. Extrem gesehen, entstehen dabei fast kaleidoskopische Bilder, wie der Hubble-Teleskop uns gezeigt hat, bei denen Objekte hinter einem Haufen in mehrere Bilder zerplatzen und gegebenenfalls ein oder mehrere gravitative Bögen erzeugen.

Man versteht nun, dass bei geringeren Konzentrationen von dunkler Materie einfache Verzerrungen in den Galaxienbildern entstehen, wodurch ihre Bilder eine zusätzliche Elliptizität erhalten, rein optisch bedingt, die sich dann über ihre eigentliche Elliptizität 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 gravitativer Linseneffekte die Hauptachsen der elliptischen Galaxienbilder zufällig verteilt sein sollten). Anschließend ermöglicht die Methode die Rekonstruktion der Verteilung (3D) der vermuteten dunklen Materie, die solche Bilder hervorrufen könnte. 1999 erregte Mellier und Fort Aufsehen, als sie eine farbige, perspektivische Abbildung veröffentlichten, die die Verteilung dunkler Materie in einem Teil des Universums darstellte, entsprach einem Himmelsabschnitt von einigen Quadratgraden.

Die Abbildung wurde im Journal Le Monde veröffentlicht, und der Artikelautor, der Journalist Jean-François Augereau, titelte: „Die dunkle Materie existiert, denn sie biegt das Licht ab.“

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. Alles erschien damals sehr beeindruckend und markierte den Beginn einer „Kartierung des Unsichtbaren“. Doch ein Jahr später gab Fort (Direktor des Institut d’Astrophysique de Paris, zu dem auch Yannick Mellier gehört) ein Interview für die Zeitschrift Ciel et Espace (Juni 2000), in dem er einige Probleme erwähnte, die bisher unbeachtet geblieben waren. Die Methode hatte unsere beiden Forscher zu zwei besonders massiven Konzentrationen dunkler Materie geführt (5 × 10¹⁴ Sonnenmassen, das Äquivalent von tausend Galaxien, eine Masse vergleichbar mit den größten bekannten Haufen: dem Haufen der Jungfrau oder dem Haufen Coma). Doch eine verwirrende Tatsache war, dass diese Himmelsregionen bemerkenswert leer erschienen:

Solche Ergebnisse waren offensichtlich sehr störend, und zunächst verschwiegen die beiden Autoren sie einfach, hoffend, es könnte sich um einen Artefakt oder um eine neue Art von Haufen handeln, der in besonderen Frequenzen emittiert. Daher wurden neue Beobachtungen im UV- oder Infrarotbereich durchgeführt, die jedoch nichts Bedeutsames ergaben. Schließlich nannten Fort und Mellier diese Objekte „dunkle Haufen“ (dark clusters), wobei sie darauf hinwiesen, dass es sich möglicherweise um Haufen handeln könnte, die ausschließlich aus exotischer Materie bestehen, einer sehr seltsamen Materie, die, obwohl sie dem gravitativen Instabilitätsphänomen unterliegt, nur Materie desselben Typs anziehen könnte. In seinem 2000-Interview sagte Fort, er könne kaum glauben, dass ein solcher Potentialtiefpunkt keine Galaxien, kein Gas oder andere Objekte, die elektromagnetische Wellen emittieren, angezogen habe. Nachfolgend die Wiedergabe des Interview-Ausschnitts von Fort.

Als Teilnehmer am Kongress im Juni 2001, bei dem ich eine Mitteilung vorlegte („Twin matter against dark matter“), war ich daher sehr gespannt darauf, Mellier bei dieser Veranstaltung zu hören. Er begann damit, zu erklären, dass er seiner Datenverarbeitungsmethode vollkommen vertraue. Zu dieser Gelegenheit zeigte er erneut die 3D-Karte, die ihm 1999 eine ganze Seite im Monde eingebracht hatte, bestätigte die Identifizierung seiner beiden „dunklen Haufen“ und fügte hinzu, dass er seitdem einen dritten Objekt desselben Typs, ebenso massiv, entdeckt habe. Als ich ihn nach diesen Objekten fragte, gab er mir öffentlich folgende Antwort:

• Persönlich glaube ich an diese dunklen Haufen nicht...

Es war unmöglich, mehr zu erfahren, und ich muss zugeben, dass diese Antwort mich zutiefst verblüffte. Entweder ist seine Methode anfällig für Zufallseinflüsse, die bisher der Analyse entgangen sind und Artefakte erzeugen könnten (die diesen äußerst verwirrenden Objekten entsprechen), oder sie ist zuverlässig, und die Existenz dieser drei Objekte wirft eine äußerst beunruhigende Frage auf, auf die man mit einer solchen Ausflucht nicht antworten kann. Hinzu kommt, dass seit der Inbetriebnahme des Teleskops, das Beobachtungen im Röntgenbereich ermöglicht, herauskam, dass Haufen sehr wichtige Quellen sind, deren Energien etwa bei 10 keV liegen. Wenn man diese Strahlung auf heißes Wasserstoffgas zurückführt, entspricht dies einer Temperatur von etwa hundert Millionen Grad, was einer thermischen Bewegungsgeschwindigkeit von 1400 km/s entspricht.

Laut Mellier emittieren seine dunklen Haufen ebenfalls keine Röntgenstrahlen.

Die Erklärung für ein solches Verhalten ergibt sich einfach, wenn man den Untertitel dieses Kongresses erneut liest, der keinerlei Interpretation außer der der dunklen Materie zulässt. Dieses Verhalten ist kein Sonderfall in der modernen Astronomie und Astrophysik. Geben wir ein Beispiel. Die berühmte Hubble-Gesetz, nach dem der Rotverschiebung eine proportionale Beziehung zur Entfernung der Quelle zukommt, ist längst zu einem Dogma geworden. Alle Quellen müssen dieser Gesetzmäßigkeit folgen, und diejenigen, die zufällig dagegen verstoßen würden, werden „ausgeschlossen“. Man weiß, dass Halton Arp, ein echter Störenfried, zahlreiche „anormale Rotverschiebungen“ identifiziert hat. Da er offensichtlich nicht nachgeben wollte und diese „abnormen“ Aufnahmen nicht als Beobachtungsfehler akzeptierte, wurde er schließlich von seinen Kollegen (denjenigen, die „Beobachtungszeiten“ verteilen) von der Beobachtung ausgeschlossen und nach New York verlegt. Wenn ein Kongress zum Thema stattfinden würde, könnte es nur um „Durchmusterungen“ gehen, die der besseren Definition der „Hubble-Konstante“ dienen. Jeder Versuch, eine Anisotropie der Rotverschiebung oder eine signifikante Abweichung der berühmten Gesetzmäßigkeit für verschiedene Objektklassen oder quasi-periodische Schwankungen in einer bestimmten Richtung zu zeigen, würde als beunruhigende Abweichung oder einfach als „außerhalb des Themas“ betrachtet.

Als ich beschloss, eine Mitteilung auf diesem Kongress vorzustellen, nahm meine Kollegin Evangelina Athanassoula, Forscherin am CNRS, die wie ich am Observatoire de Marseille tätig ist, diese Nachricht mit Verwirrung auf, da sie meine Arbeiten als „außerhalb des Themas“ betrachtete. Das ist tatsächlich eine Art, die Dinge zu sehen, doch ich halte sie für ziemlich unwissenschaftlich (genau wie die Bemerkung von Yannick Mellier über seine eigenen Arbeiten!). Es überrascht daher nicht, dass die Arbeiten, die ich auf diesem Kongress vorstellen durfte, kaum Interesse oder Kritik fanden: Sie waren einfach „außerhalb des Themas“. Am Dienstag, den 26. Juni 2001, verfügte ich über 40 Kopien der „langen Version“ meiner Mitteilung (43 Seiten) und 30 Exemplare einer verkürzten Version (16 Seiten). Ich beschloss, erneut nachzubohren, ging in den Hörsaal des Kongresses und legte diese siebzig Dokumente auf die Tische, bevor die ersten Sitzungen begannen, mit der Hervorhebung in roter Bleistift auf dem Umschlag: „Nehmen Sie mich, lesen Sie mich“. Alle verschwanden in den Taschen der Teilnehmer. Keines wurde auf dem Boden oder in einem Papierkorb zurückgelassen. Trotz dieser neuen Versuch, eine Diskussion zu beginnen, nahm kein einziger der 200 Kongresssteilnehmer Kontakt mit mir auf. In den folgenden Tagen verliefen meine Interventionen während der Sitzungen völlig erfolglos. Lassen Sie uns dies als Beispiel betrachten. Ein Referent hatte gerade eine „Durchmusterung“ zum allgemeinen Problem der gravitativen Linse vorgestellt, bevor seine Kollegen (darunter Mellier) ihre neuesten Ergebnisse präsentierten. Gespräch:

• In letzter Zeit wird immer öfter über die mögliche Existenz einer Komponente mit negativer Energie im Universum gesprochen, die gravitativ abstoßend wirkt. Haben Sie die gravitativen Linseneffekte berücksichtigt, die sich aus der Anwesenheit solcher Teilchenkonzentrationen ergeben würden? Man hätte dann mit einer „negativen Linse“ zu tun. Ich habe dieses Phänomen persönlich in einem Artikel aus dem Jahr 1995 in „Astrophysics and Space Science“ beschrieben.

• In diesem Fall würde es sich um eine Lücke in einer homogenen Verteilung positiver Materie handeln.

• Nein, darum geht es mir nicht. Es geht darum, die Effekte zu betrachten, die von Objekten mit negativer Energie hervorgerufen werden.

• Also um Lücken in positiver Materie...

Ende der Diskussion, mit einem Saal, der völlig gleichgültig gegenüber dem Problem war. Schließlich sagte ich zu den Kongresssteilnehmern:

• Wir sind im Juni 2001. Die Analyse der gravitativen Linseneffekte und die daraus resultierende Kartierung führen zu unverständlichen Objekten: den „dunklen Haufen“. Die Dynamik der Galaxien „erzwingt die Annahme, dass der Großteil ihrer Masse in Form einer Hülle aus dunkler Materie vorliegt“, die niemand nachweisen kann und über deren Zusammensetzung oder Herkunft niemand etwas sagen kann. Alle Versuche, diese dunkle Materie zu identifizieren, sind in den letzten zehn Jahren gescheitert. Ähnliches Phänomen bei Galaxienhaufen, wo das Verhältnis von nicht beobachteter Materie zu sichtbarer Materie hundert beträgt. Die Astronomen prognostizieren die Existenz von Schwarzen Löchern mit einer Million Sonnenmassen im Zentrum jeder Galaxie, und niemand sieht sie. Während dieses Kongresses haben wir Kollegen gesehen, die ständig verfeinerte Bilder präsentierten, die die Very Large Structure (VLS), die großräumige Struktur des Universums, beschreiben. Offensichtlich bestätigt sich das Bild „wie zusammenhängende Seifenblasen“ von Jahr zu Jahr. Doch wie wir gesehen haben, erzeugen die fortschrittlichsten numerischen Simulationen, die auf CDM (Cold Dark Matter oder „kalte dunkle Materie“) basieren, ein filamentöses Universum, das offensichtlich nichts mit den Beobachtungen gemein hat. Nachfolgend ein aktuelles Bild, das während des Kongresses präsentiert wurde.

Trotzdem haben Sie die Bilder gesehen, die wir bereits seit acht Jahren produzieren:

und die tatsächlich mit den Beobachtungen übereinstimmen:

Wie kommt es, dass es absolut unmöglich ist, einen Dialog zwischen diesen beiden Denkrichtungen herzustellen?

Totales Schweigen.

Zur selben Zeit (Juni 2001) fand in Blois ein Kongress statt, auf dem theoretische Physiker über die Natur einer neuen kosmologischen Komponente debattierten, die einer von ihnen „dunkle Energie“ nannte. Laut manchen dieser mysteriösen Substanz, die die Materie abstoßen soll, durch eine Kraft, die als „antigravitational“ bezeichnet wird, entspricht sie etwa 65 % des kosmischen Inhalts. Warum „antigravitational“? Weil eine Ansammlung von Beobachtungen an Supernovae mit sehr hohem Rotverschiebung eine späte Beschleunigung der kosmischen Expansion zu bestätigen scheint.

Dieses Objekt erhielt mehrere Namensvorschläge. Man wird bemerken, dass heutzutage, da die Wissenschaftler ihre Forschungsobjekte weder experimentell noch beobachtungstechnisch nachweisen können, sie einfach ... zahlreiche Etiketten produzieren. Ein vorgeschlagener Name ist:

Quintessenz

Dieses Wort ist bedeutungsvoll. Die „Quintessenz“ ist die „fünfte Essenz“, das „fünfte Element“. Das Wort stammt aus der Alchemie, die auf einer Beschreibung der Materie basierte, die aus vier Elementen bestand: Wasser, Feuer, Luft, Erde. Hier ist also das Fünfte. Unsere theoretische Physik scheint sich ins Mittelalter zurückversetzt zu haben. Doch das ist nichts Außergewöhnliches. In einer Zeit, in der der Aberglaube sich ausbreitet und niemand mehr weiß, was was ist, schließen sich die Wissenschaftler hinter verschiedenen Fahnen zusammen. Die der Astrophysiker heißt „dunkle Materie“, während die theoretischen Physiker nur noch an „Supersaiten“ glauben. Es sollte daher niemand überraschen, dass die heutigen wissenschaftlichen Kongresse wie Versammlungen von Theologen wirken, die sich um organisierte Glaubenssysteme versammeln.

Der Text unserer Mitteilung auf dem internationalen Kongress „Where is the Matter?“

Ein wenig Humor im Vorübergehen