CL013 - Die Entdeckung der dunklen Materie und Euclid

Die Episode über Dunkle Materie, Vera Rubin und Euclid

Einleitung

Wir beginnen die Episode damit, dass wir feststellen, dass wir beim letzten Mal vergessen haben über Elkas Job beim Planetarium Wien zu sprechen, was wir sogleich nachholen.

Euclid

Am 1. Juli soll Euclid mit einer Falcon-9 Rakete von SpaceX von Florida (USA) aus starten. Ihr Ziel ist der 1,5 Mio. km entfernte Erde-Sonne Lagrange Punkt 2 - ein ganz besonderer Ort im Weltraum, denn dort heben sich die Gravitationskräfte zwischen Erde und Sonne auf. Es ist daher ein beliebter "Parkplatz" für Weltraum-Instrumente, da sie sich hier fast ohne Antrieb in einem Orbit um die Sonne bewegen. Das James Webb Space Telescope etwa befindet sich bereits dort. Wer es genauer wissen möchte, findet hier ein gutes Video dazu von Space Night Science in der ARD Mediathek.

Ist Euclid erst mal angekommen, wird es sich mit dem Dunklen Universum beschäftigen.

Dunkle Energie und Dunkle Materie

Das Dunkle Universum macht stattliche 95% des Universums aus, nur 5% sind sichtbare Materie, die wir kennen - das ist all das Material aus dem die Sterne, Planeten und wir Menschen bestehen. Der Rest teilt sich auf in Dunkler Energie (72%) und Dunkler Materie (23%).

Sie beeinflussen die Bewegung und Verteilung der sichtbaren Quellen (was wir eindeutig beobachten können), aber sie emittieren oder absorbieren kein Licht (weswegen wir sie nicht beobachten können), und die Wissenschaft weiß daher noch nicht, was sie sind und woraus sie genau bestehen. Ihre Natur und ihre Eigenschaften zu verstehen sind daher eine der größten Herausforderungen der Kosmologie.

Dunkle Energie und Dunkle Materie sind dabei etwas von Grund auf Verschiedenes. Denn während die Dunkle Energie die Beschleunigung des Universums voranrtreibt, ist es die Dunkle Materie die Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält. Sie wirken also auf ganz unterschiedlichen Ebenen.

Die Geschichte der Dunklen Materie

Hinweise zur Dunklen Materie gab es bereits relativ früh- bis man ihr auf die Schliche gekommen ist, dauerte es aber, wie so oft in der Geschichte, dann doch wieder etwas länger, in diesem Fall gut vierzig Jahre.

Begonnen hat alles in den 1930er Jahren und dem schweizer Astronom Fritz Zwicky, der die Geschwindigkeit von Galaxien im Coma Haufen (der aus 1000 Galaxien besteht) gemessen hat.

So wie Planeten in einem Sonnensystem, sind auch Galaxien in einem Galaxienhaufen gravitativ aneinander gebunden. Wäre es nicht so, dann gäbe es keinen Haufen, keine Galaxie und kein Sonnensystem. Wenn die Gravitationskraft der Sonne die Planeten nicht festhalten würde, dann würden sie ins All entkommen. Die Gravitationskraft steht dabei in direktem Zusammenhang mit der Masse, desto mehr Masse desto stärker ist auch die Gravitationskraft. Würde man zum Beispiel die Masse der Sonne halbieren, dann wäre auch die Kraft, die sie auf die Planeten ausübt, nur noch halb so stark.

Zwickys Berechnungen ergaben nun, dass sich die Galaxien zu schnell bewegten, sie die Fluchtgeschwindigkeit überschritten und sich der Haufen eigentlich auflösen müsste. Da er aber offensichtlich vorhanden war, die sichtbare (also leuchtende) Masse aber um das 400-fache zuwenig war, schloss er, dass es eine, für ihn aktuell nicht sichtbare Materie geben musste, die auf den Haufen wirkte. Er gab ihr den Namen "Dunkle Materie".

Vera Rubin macht Dunkle Materie populär

Das ganze geriet jedoch in Vergessenheit - bis 1970. In diesem Jahr veröffentliche die amerikanische Astronomin Vera Rubin ihre Arbeit, in der sie die Rotationsgeschwindigkeit der Andromeda Galaxie untersucht hatte (“Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions").

In dem Diagramm aus ihrer Arbeit, ist aber deutlich zu sehen, dass die Geschwindigkeitskurve mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der Galaxie nicht abflacht, sondern ab einem gewissen Punkt gleichbleibend ist. Die Sterne in den äußeren Bereichen der Galaxie bewegten sich also eindeutig zu schnell.

Das lässt sich nur damit erklären, dass dort noch Materie vorhanden ist, wo die leuchtende Materie längst zu Ende ist. Die Galaxien schienen also von einer großen Wolke aus dunkler Materie umgeben zu sein. Ihr gravitativer Einfluss führte dazu, dass sich die Sterne schneller bewegten, als man erwarten würde.

Man hatte also nun bereits Daten auf zwei verschiedenen Größenskalen: und zwar die Bewegung von Galaxien in Galaxienhaufen, die Zwicky beobachtet hatte, und nun auch noch die Bewegung von Sternen in Galaxien, die von Rubin und diversen anderen Astronomen analysiert wurde. Beide zeigten, dass sich die Himmelskörper so verhielten, als gäbe es neben der normalen, sichtbaren Materie auch noch eine “dunkle Materie”, die nicht leuchtet.

Vera Rubins Arbeit hat unser Verständnis des Universums deutlich verändert. Sie konnte die Existenz eines Phänomens, das gravitativ mit Sternen und Galaxien wechselwirkt und das nicht mit der von der Gravitationstheorie vorhergesagten Bewegung übereinstimmt, klar und deutlich belegen.

Weiterführende Links

ESA Euclid

Überblicks-Informationen zu Euclid von der ESA

ESA Launch Kit Euclid

Serie über Dunkle Materie von Astrodicticum Simplex

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