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Dunkle Materie und Dunkle Energie – eine Herausforderung für Physiker und Kosmologen

Nur 5% des Universums besteht aus bekanntem Material, wie Messungen der Astronomen ergeben haben. Für einen großen Teil der Gravitationswirkung in Galaxien muss bisher unbekannte Materie verantwortlich sein. Weiterhin deutet die Messung der Helligkeit weit entfernter Supernova-Explosionen darauf hin, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt, wofür die rätselhafte „Dunkle Energie“ verantwortlich gemacht wird. Die Eigenschaften der Dunklen Materie und der Dunklen Energie zu erforschen, erfordert die Zusammenarbeit von Physikern, Astronomen und Kosmologen. Ihr Verständnis könnte ein Meilenstein auf dem Weg zur Weltformel sein. In der Zeit vom 8. bis 11. Dezember 2003 treffen sich Spezialisten aus aller Welt zum 315. WE-Heraeus-Seminar in Bad Honnef, um dem Geheimnis auf die Spur zu kommen.

Die Vorträge (in englischer Sprache) sind öffentlich.

Die Vorgänge im Universum geben immer mehr Rätsel auf, je genauer die Messungen werden. Neue Untersuchungen zeigen, dass nur ein geringer Teil der Materie im Weltall aus bekannten Elementen besteht. Zudem bläht sich das Universum immer schneller auf. Eine Erklärung dafür suchen Wissenschaftler aus den verschiedenen Bereichen der Physik und Astronomie auf ihrer Tagung in Bad Honnef.

Bild: Kosmische Pizza

Die bekannten Bausteine der Materie wie Atome und Moleküle machen nur 5 % des Universums aus. Der größte Teil davon ist intergalaktisches Gas. Die leuchtenden Sterne tragen nur einen Anteil von 0,5% bei.

Dabei sah es noch vor wenigen Jahren so aus, als ob sich die Entstehung des Universums durch den Urknall mit den Kräften und Teilchen beschreiben lässt, die aus den Laborexperimenten der Elementarteilchenphysiker bekannt sind.

Der Nachweis der Kosmischen Hintergrundstrahlung im Jahre 1965 bestätigt die Theorie des Urknalls. Immer detailliertere Untersuchungen der Fluktuationen dieses Relikts aus der Anfangszeit des Universums helfen den Kosmologen, ihre Modelle zu verbessern. Die Hubble Konstante, die ein Maß für die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums ist, wurde mit verschiedenen Experimenten genauer bestimmt und die Dichte der normalen Materie aus dem Vorkommen leichter Elemente in entfernten Galaxien abgeschätzt.

Aber die Untersuchung der Bewegung von Galaxien deutet darauf hin, dass nur ein geringer Teil der Materie „sichtbar“ ist und durch Strahlung in irgendeiner Weise nachgewiesen werden kann. „Die Evidenz für Dunkle Materie ist eindeutig, auf Skalen von Galaxien, Galaxienhaufen und für das Universum als Ganzes. Selbstverständlich bildet unser fehlendes Wissen über die Natur der Dunklen Materie eine schmerzliche Lücke im Verständnis der physikalischen Welt,“ erklärt Prof. Peter Schneider, einer der Organisatoren der Tagung.

Kandidaten für die Dunkle Materie sind noch nicht entdeckte Bausteine der Materie, wie sie einige theoretische Modelle vorhersagen. Bisher reichten die Energien irdischer Experimente jedoch nicht aus, um diese Teilchen in den Teilchenschleudern zu erzeugen. Daher ist das Universum auch für die Elementarteilchenphysiker ein gigantisches Labor. Und das nächste Elementarteilchen wird vielleicht im Weltraum entdeckt.

Eine Erkenntnis haben die Messungen schon erbracht. Seit geraumer Zeit werden Neutrinos, die von der Sonne abgestrahlt werden, genauer untersucht. Dabei zeigte sich, dass diese Teilchen nicht masselos sind. Neutrinos, die häufigsten Bausteine der bekannten Materie, tragen daher auch zur Masse des Universums bei. Aber als Kandidaten für die Dunkle Materie sind sie nicht geeignet. Ihr Anteil macht nur etwa 0,47 % aus.

Äußerst verwirrend ist eine Tatsache, die sich aus der Untersuchung weit entfernter Sternexplosionen ergibt. Sie zeigen den Astronomen, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Die Ursache dafür ist vollkommen unbekannt. Dunkle Energie ist derzeit die häufigste „Erklärung“ für dieses Phänomen. Darunter verstehen die Physiker eine Art „Antischwerkraft“, die Materie nicht zum Kollaps bringt, sondern auseinander treibt. Aber auch eine so genannte kosmologische Konstante, wie sie schon Einstein in seine Gleichungen eingefügt hatte, ist wieder im Gespräch. Einstein führte diese Größe ein, um ein statisches Universum zu beschreiben. Als später die Expansion des Universums durch Hubble entdeckt wurde, soll er die kosmologische Konstante als die „größte Eselei“ bezeichnet haben. Aber vielleicht war er doch wieder einmal nur seiner Zeit voraus.

Prof. Hans Peter Nilles, theoretischer Physiker an der Universität Bonn, meint dazu: „Seit fast hundert Jahren ist die kosmologische Konstante eines der großen Rätsel der theoretischen Physik. Sie ist komplett überflüssig, scheint aber trotzdem den Schlüssel zu einer vereinheitlichten Theorie aller physikalischen Phänomene zu sein.“

Selbst Albert Einstein ist es nicht gelungen, die vier fundamentalen Kräfte der Physik in einer Theorie zusammenzufassen. Heute suchen die Physiker immer noch nach der „Weltformel“. Eine Lösung sehen viele Forscher im Rahmen von Superstringtheorien. Mit ihr können alle bekannten Teilchen und ihre Wechselwirkungen beschrieben werden. Die Dunkle Materie hat ihren Ursprung möglicherweise in neuen hypothetischen Bausteinen dieser Theorie.

Die Beschreibung der Dunklen Energie erweist sich allerdings als problematisch. Ein erster Durchbruch konnte kürzlich von einer Forschergruppe um Professor Linde von der Universität Stanford erzielt werden (siehe Artikel der New York Times vom 2.9.2003).

Trotzdem bleiben noch viele Fragen über Ursprung und Art der Dunklen Materie und Dunklen Energie offen. Eine Herausforderung an die nächste Generation der Forscher. Es bleibt spannend in der Physik.

Im Physikzentrum Bad Honnef, Hauptstraße 5, treffen sich nun führende theoretische Physiker, Astronomen und Kosmologen, unter ihnen Andre Linde (Stanford University, USA), Joseph Silk (Oxford, England) und Simon White (MPI für Astrophysik, Garching), um die Geheimnisse des Universums zu ergründen. Unterstützt wird die Veranstaltung von der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung, Hanau

Am Freitag, dem 12.12.2003 um 16.15 Uhr wird Professor Andre Linde zudem im Physikalischen Kolloquium der Universität Bonn im Rahmen der Plücker-Vorlesungen einen Vortrag zu diesem Thema halten: „Inflation, Dark Energy and the Fate of the Universe“ (Physikalisches Institut, Nussallee 12, Hörsaal 1).

Das Programm finden Sie unter:

http://www.th.physik.uni-bonn.de/nilles/darkmatter

Weitere Informationen zu den Veranstaltungen erhalten Sie von

Prof. Hans Peter Nilles

Physikalisches Institut

Nussallee 12

53115 Bonn

Tel.: 0228 73 9029

Email: nilles@physik.uni-bonn.de

Prof. Peter Schneider

Institut für extraterrestrische und Astrophysik

Auf dem Hügel 71

53121 Bonn

Tel.. 0228 73 3671

Email: peter@astro.uni-bonn.de