Dunkle Materie: Evidenz und die Identifikationslücke

Die 1970er verbrachten Vera Rubin und Kent Ford an der Carnegie Institution of Washington damit, die Rotation Dutzender Spiralgalaxien zu vermessen. Newtons Gravitation sagte klar voraus, was sie finden würden: So wie die äußeren Planeten die Sonne langsamer umrunden als die inneren, sollten Sterne weit außen in einer Galaxie langsamer kreisen als die nahe am Zentrum. Gefunden haben sie etwas anderes. Weit jenseits der sichtbaren Scheibe blieb die Rotation genauso schnell — in einer Galaxie nach der anderen. Entweder versagt Newtons Gravitation auf galaktischen Skalen, oder die Galaxien enthalten weit mehr Materie, als wir sehen können: fünf- bis zehnmal so viel, verteilt in einem unsichtbaren Halo. Die zweite Lesart ist die gängige. Die gewöhnliche Materie, aus der Sterne, Planeten und wir selbst bestehen — baryonische Materie —, macht nur rund 5 % der Energie des Universums aus; der Großteil des gravitierenden Universums besteht aus Materie, die wir nie direkt nachgewiesen haben.

Der Befund für Kalte Dunkle Materie — „kalt“ heißt hier: langsam im Vergleich zum Licht — ruht auf vier weitgehend unabhängigen Belegketten. Erstens die Rotationskurven von Galaxien, Rubins Programm: Die gravitierende Masse jeder großen Galaxie reicht weit über deren sichtbaren Rand hinaus. Zweitens der Gravitationslinseneffekt — die Masse eines vorgelagerten Haufens lenkt das Licht dahinterliegender Galaxien ab —, der ein Mehrfaches jener Masse offenlegt, die in der sichtbaren Materie des Haufens steckt. Am saubersten zeigt das der Bullet Cluster, zwei Galaxienhaufen mitten im Zusammenstoß: Das sichtbare heiße Gas wurde in die Mitte gezogen, der Großteil der Masse aber — über die Linsenwirkung kartiert — ist glatt hindurchgezogen und sitzt zu beiden Seiten. Durch Schrauben an der Gravitation ist das kaum zu erklären. Drittens die Strukturbildung: Simulationen, wie sich Galaxien zusammenfinden, treffen das reale Universum nur dann, wenn Kalte Dunkle Materie darin vorkommt — der Kern des kosmologischen Standardmodells ΛCDM (Dunkle Energie plus Kalte Dunkle Materie plus gewöhnliche Materie). Viertens der kosmische Mikrowellenhintergrund, das Nachglühen des heißen frühen Universums: Sein genaues Muster feiner Schwankungen, von Planck vermessen, passt zu einem Universum mit Dunkler Materie und schließt eines aus gewöhnlicher Materie allein aus. Theorien, die stattdessen die Gravitation abwandeln, bekommen einen Teil davon hin, scheitern aber am Bullet Cluster und am Mikrowellenhintergrund. Die gängige Sicht lautet deshalb: Dunkle Materie ist real — nur ist das Teilchen nicht identifiziert. Die führenden Verdächtigen sind WIMPs (schwere, nur äußerst schwach wechselwirkende Teilchen, die manche Erweiterungen des Standardmodells nahelegen) und Axionen (extrem leichte Teilchen, vorgeschlagen, um ein damit nicht zusammenhängendes Rätsel der starken Wechselwirkung zu lösen); primordiale Schwarze Löcher sind der dritte Kandidat. Jahrzehnte immer empfindlicherer Experimente tief unter Tage — LZ, XENONnT, PandaX — haben kein WIMP eingefangen, eigene Experimente jagen das Axion, und Gamma- und Neutrino-Observatorien tragen weitere Schranken bei. Dass die Belege für Dunkle Materie erdrückend sind, während der Direktnachweis bei null steht, ist selbst ein starker Hinweis darauf, was sie sein kann.