Dunkle Materie: Evidenz und die Identifikationslücke

Vera Rubin und Kent Ford verbrachten die 1970er an der Carnegie Institution of Washington damit, die Rotation Dutzender Spiralgalaxien zu kartieren. Newtons Gravitation machte eine klare Vorhersage: So wie die äußeren Planeten die Sonne langsamer umkreisen als die inneren, sollten Sterne weit vom Zentrum einer Galaxie langsamer umlaufen als die nahe gelegenen. Die Beobachtung war eine andere. Die Rotation, die Rubin maß, blieb in Galaxie um Galaxie weit über die sichtbare Scheibe hinaus genauso schnell. Entweder versagt Newtons Gravitation auf galaktischen Skalen, oder die Galaxien enthalten weit mehr Materie, als wir sehen — fünf- bis zehnmal mehr, 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, und der Großteil des gravitierenden Universums ist Materie irgendeiner Art, die wir nie direkt nachgewiesen haben.

Der Befund für Kalte Dunkle Materie — „kalt“ heißt: Sie bewegt sich langsam im Vergleich zum Licht — ruht auf vier weitgehend unabhängigen Belegketten. Erstens die Galaxien-Rotationskurven, Rubins Programm: Die gravitierende Masse jeder großen Galaxie reicht weit über ihren sichtbaren Rand hinaus. Zweitens der Gravitationslinseneffekt — das Licht von Hintergrundgalaxien wird durch die Masse eines davorliegenden Haufens abgelenkt —, der ein Mehrfaches der Masse offenlegt, die in der sichtbaren Materie des Haufens steckt. Der sauberste Fall ist der Bullet-Cluster, zwei mitten im Zusammenstoß erwischte Haufen: Das sichtbare heiße Gas wurde in die Mitte gezogen, doch der Großteil der Masse — über die Linsenwirkung kartiert — ist glatt hindurchgeflogen und sitzt zu beiden Seiten, kaum durch ein Schrauben an der Gravitation zu erklären. Drittens die Strukturbildung: Simulationen, wie sich Galaxien zusammenfügen, treffen das reale Universum nur, wenn Kalte Dunkle Materie enthalten ist — der Kern des kosmologischen Standardmodells ΛCDM (Dunkle Energie plus Kalte Dunkle Materie plus gewöhnliche Materie). Viertens die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung — das Nachglühen des heißen frühen Universums —, deren genaues Muster aus winzigen Schwankungen, von Planck vermessen, zu einem Universum mit Dunkler Materie passt und eines aus gewöhnlicher Materie allein ausschließt. Theorien, die stattdessen die Gravitation abwandeln, erklären manches davon, scheitern aber am Bullet-Cluster und an der Hintergrundstrahlung. Die gängige Sicht lautet also: Dunkle Materie ist real — nur haben wir das Teilchen nicht identifiziert. Die führenden Verdächtigen sind WIMPs (schwere, nur schwach wechselwirkende Teilchen, die manche Erweiterungen des Standardmodells nahelegen) und Axionen (extrem leichte Teilchen, vorgeschlagen, um ein unverwandtes Rätsel in der Physik der starken Kraft zu lösen); primordiale Schwarze Löcher sind ein dritter. Jahrzehnte immer empfindlicherer Experimente tief unter Tage — LZ, XENONnT, PandaX — haben kein WIMP eingefangen; eigene Experimente jagen das Axion; und Gamma- und Neutrino-Observatorien steuern 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.