Abschied von der Dunklen Materie

Das Universum sollte Unmengen Dunkler Materie enthalten - theoretisch, denn bisher sind alle Nachweisversuche gescheitert. Existiert sie etwa gar nicht? Einige Forscher haben sich mit dieser Idee bereits angefreundet: Die Folgen wären revolutionär.

Wenn man sich die Debatten der gegenwärtigen Physik ansieht, kann man sich des Eindrucks nicht erwehren, dass sich ein Phantasma in der Wissenschaft des Faktischen eingenistet hat. Die Mehrzahl der Physiker glaubt an die Existenz von etwas Unsichtbarem. Dieses Etwas füllt nach allgemeiner Übereinkunft das ganze Universum aus und lenkt die dort obwaltenden Kräfte im Verborgen.

Verborgene Kräfte

In Erscheinung tritt diese Schattenmacht nicht, jedenfalls nicht so, wie man das gerne hätte. Physiker nennen sie „Dunkle Materie“. „Dunkel“ heißt sie, weil diese Materie kein Licht und keine Strahlung abgibt. Und existieren muss sie, so zumindest die Annahme, weil ansonsten die rotierenden Galaxien auseinanderbrechen würden, gäbe es in ihrem Inneren nicht zusätzliche Materie, die das Ganze vermittels ihrer Masse zusammenhält.

Damit die Rechnung aufgeht, sich also die Galaxienbewegung an die Naturgesetze hält, muss der Raum fünfmal mehr Dunkle als „normale“ Materie enthalten. Mit „normaler“ Materie ist jene gemeint, die man in Form von kosmischem Staub, Planeten und Sternen sehen kann. Womit auch gesagt ist, dass wir nur einen Bruchteil des Universums verstehen. Der große Rest liegt, materiell wie konzeptuell, im Dunkeln.

Sterne und Materiefilamente im Weltraum
NASA
Wo ist die Dunkle Materie?

Dass Physiker die Existenz neuer Phänomene annehmen, ist an sich weder neu noch verfänglich. Häufig führten solche Prognosen zu spektakulären Bestätigungen durch das Experiment. Das war bei Ernest Rutherfords Atommodell so, das war bei den von Wolfgang Pauli vorhergesagten Neutrinos so - und auch bei Georges Lemaitres Meditationen über den Urzustand des Universums: Seine dereinst spekulativen Ideen findet man heute in jedem Astronomielehrbuch unter der Überschrift „Big Bang“.

Nachweis gescheitert - schon wieder

Das Problem an der Dunklen Materie ist, dass es seit den 1980er Jahren bei der Vorhersage blieb. Der Nachweis will nicht gelingen, obwohl Tausende Forscher fieberhaft danach suchen, im All, mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern und hochsensiblen Detektoren.

Jüngstes Beispiel dafür sind drei Publikationen aus ganz unterschiedlichen Bereichen. Physiker des Gran-Sasso-Laboratoriums in Italien berichteten Ende Oktober, dass sie mit ihren unterirdischen, von Tonnen flüssigem Xenon umgebenen Messfühlern keine Signale Dunkler Materie finden konnten. Das gleiche Resümee zogen jüngst chinesische Forscher bei ihrem PandaX-II-Experiment. Mit leeren Händen stehen auch die Kollegen vom Schweizer Paul Scherrer Institut und ihren Neutronenquellen in Grenoble und Villigen da.

Fazit: nichts, keine Spur. Laut Theorie sollte die Dunkle Materie aus neuartigen Teilchen namens WIMPs oder Axionen bestehen. Jahrelang übte sich die Fachgemeinde in Optimismus, wenn es um den Nachweis dieser flüchtigen Partikel ging. Nun macht sich langsam Ernüchterung breit.

Erik Verlindes „Infoversum“

Einige Theoretiker suchen bereits nach Auswegen aus der Sackgasse, in die man sich offenkundig manövriert hat: Wenn man keine Antwort auf eine Frage bekommt - vielleicht stimmt etwas mit der Frage nicht?

Erik Verlinde von der Universität Amsterdam ist überzeugt, dass es sich so verhält. Der Physiker hat letztes Jahr eine Neuversion der Gravitationsgesetze von Isaac Newton und Albert Einstein vorgelegt, die das Problem der Dunklen Materie lösen würden. Oder vielleicht sollte man besser sagen: auflösen würden, denn in seiner Theorie existiert die Dunkle Materie gar nicht.

Andromeda-Galaxie
Tony Hallas
„It from bit“: Laut Erik Verlinde ist die Information der Urstoff des Universums

Verlindes Ansatz ist radikal, „neue Physik“ im Wortsinn. Teilchen und Felder als Grundbausteine der Welt sind aus seiner Sicht ein bisschen „retro“, jedenfalls „typisch für die Physik des 20. Jahrhunderts“, so der niederländische Physiker im Gespräch mit science.ORF.at. In seiner Theorie gibt es zwar auch Teilchen und Felder, aber über allem thront ein noch mächtigeres Prinzip - und das lautet: Das Grundgerüst des Universums besteht aus Information. Die Information erzeugt die Phänomene der Materie, nicht etwa umgekehrt.

Verlinde hat Formeln gefunden, aus denen sich die seltsame Rotation von Galaxien natürlich ergibt. Im Zentrum der Theorie steht gleichwohl ein ebenfalls seltsamer Mechanismus: Die Gravitation verhält sich geringfügig anders als von Einstein und Newton vorhergesagt, so Verlinde, weil die Information des Raums mit der Information der Dunklen Energie in Wechselwirkung tritt.

An 30.000 Galaxien überprüft

Die Dunkle Energie ist noch so eine große Unbekannte in der zeitgenössischen Physik. Sie soll für die beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich sein, ihre Existenz wurde schon von Einstein erwogen, damals noch unter dem Namen „kosmische Konstante“.

Und auch hier weiß bis dato niemand, was sie ist beziehungsweise woraus sie besteht - wenn sie denn überhaupt im herkömmlichen Sinne aus etwas besteht. Dass es sich dabei um ein Teilchen handelt, ist nämlich unwahrscheinlich. Viel eher handelt es sich um eine inhärente Eigenschaft des Raumes, was das Rätsel allerdings nur in geometrische Begrifflichkeiten verschiebt.

Was experimentelle Prüfungen von Verlindes „neuer Physik“ angeht, gibt es bis dato optimistische Signale. Margot Brouwer von der Universität Leiden hat die Vorhersagen mit den Daten von über 30.000 Galaxien verglichen und eine gute Übereinstimmung mit der Theorie gefunden.

Neues Raumkonzept?

Als Bruch mit der bisherigen Tradition muss man wohl auch den Ansatz von Andre Maeder bezeichnen. Der Schweizer Astrophysiker hat kürzlich eine alternative Beschreibung des Universums vorgestellt, ein Modell, in dem eine Schraube im kosmischen Gefüge verdreht ist. Laut Maeder besitzt der leere Raum eine Eigenschaft, die Physiker als „Skaleninvarianz“ bezeichnen. „Das heißt nichts anderes, als dass sich der Raum immer gleich verhält, egal, ob man ihn dehnt oder kontrahiert“, so Maeder gegenüber science.ORF.at.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) - das größte Radioteleskop der Welt.
ESO/José Francisco Salgado (josefrancisco.org)
Wie verhält sich der leere Raum?

Diese Annahme traf Einstein nicht. Tut man es, ergeben sich spektakuläre Folgerungen. Wie Maeder nun im „Astrophysical Journal“ vorrechnet, lässt sich damit die „regelwidrige“ Bewegung von Galaxien und Galaxienhaufen erklären. Auch die Rotverschiebung fernen Sternenlichts - ein bekanntes Phänomen - kann man auf diese Weise nachvollziehen.

Und vor allem: In diesem Bild verschwinden sowohl die Dunkle Materie als auch die Dunkle Energie. Sie wären, sollte dieser Theorie Erfolg beschieden sein, weder notwendig noch existent. Nun sind seine Kollegen aus dem experimentellen Fach am Zug. Ihre Messungen müssen zeigen, ob die Kosmologie ihr Auslangen ohne geisterhafte Kräfte und Teilchen findet.

Robert Czepel, science.ORF.at

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