Dark Matter and Dark Energy

Heute schätzen Forschende, dass das Universum nur zu etwa 5% aus sichtbarerer Materie besteht. Also aus jener Materie, die wir wahrnehmen. Dazu kommen 26.8% sogenannte Dunkle Materie und 68.3% Dunkle Energie.

Dunkle Materie verstärkt die Gravitation

Der Schweizer Astrophysiker, Fritz Zwicky, verwendete als einer der ersten Forschenden den Begriff "Dunkle Materie". Er beobachtete 1933 den Galaxienhaufen Coma. Er schätzte die gesamte Masse des Galaxienhaufens anhand der sichtbaren Galaxien ab und konnte damit die Anziehungskraft - die Gravitation - bestimmen, die dort herrschte. Anschliessend bestimmte er die Geschwindigkeiten einzelner Galaxien und bemerkte, dass einige Galaxien so schnell unterwegs waren, dass sie eigentlich die Gravitations des Haufens überwinden und sich entfernen sollten. Wie eine Rakete, die schnell genug ist, die Anziehungskraft der Erde zu überwinden. Diese Galaxien entfernen sich aber nicht, sondern bleiben im Galaxienhaufen. Aus diesem Gegensatz folgerte Zwicky, dass die Gravitation und damit die Masse des Galaxienhaufens viel grösser sein muss, als er geschätzt hatte. Weil diese Masse nicht sichtbar war, entwarf er den Begriff "Dunkle Materie". Das ist Materie, die zur Gravitation beiträgt, aber für uns nicht erkennbar ist.

Gravitationslinsen helfen, Dunkle Materie zu erforschen

Sehr massereiche Objekte lenken nach der Allgemeinen Relativitätstheorie elektromagnetische Strahlung und damit auch das sichtbare Licht ab. Sie wirken also auf das Licht ähnlich wie optische Linsen. Forschende nennen sie deshalb Gravitationslinsen. Diese Gravitationslinsen geben einerseits Hinweise auf die Existenz der dunklen Materie, andereseits könnten sie auch dazu dienen, mehr darüber zu erfahren.
Theoretisch lenkt jede Masse das Licht ab, aber relevant wird es für Beobachtungen in der Astronomie erst bei Grössenordnungen wie Galaxien, Galaxienhaufen oder Schwarzen Löchern. Objekte, die sich vom/von der BeobachterIn aus gesehen hinter der Gravitationslinse befinden, erscheinen dann beispielsweise doppelt, verzerrt oder verstärkt. Wenn Forschende die Galaxien in einem Galaxienhaufen zählen und mit dem Ablenkungseffekt vergleichen, den dieser Galaxienhaufen auf Licht von anderen Objekten ausübt, bemerken Sie, dass die Masse der sichtbaren Galaxien dafür nicht ausreicht. Dies ist ein weiterer Hinweis auf die Existenz dunkler Materie. Forschende hoffen, mit Gravitationslinsen auch mehr Erkenntnisse zu gewinnen, etwa wie die Dunkle Materie verteilt ist, oder sogar, woraus sie bestehen könnte.

Dunkler Energie erklärt das Verhalten des Universums

Dunkle Energie ist ein Begriff, mit dem Kosmologinnen und Kosmologen zwei Phänome erklären.

1. Dunkle Energie ist der Grund, für die beschleunigte Ausdehnung des Universums. In den 90er Jahren konnten Forschende durch Messungen nachweisen, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt und erhielten dafür 2011 den Physik-Nobelpreis: Supernovae die weit entfernt sind - und die wir also so sehen, wie sie in der Vergangenheit waren, da das Licht lange braucht, bis es zu uns gelangt - entfernen sich langsamer von der Erde weg, als Supernovae, die uns nahe sind und deren Licht "weniger alt" ist. Dass sich das Universum überhaupt ausdehnt, erstaunte nicht. Dies erklärten die Forschenden mit der Urknalltheorie: Die gesamte Masse des heutigen Universums war auf einen Punkt konzentriert und wurde beim Urknall vor 13 Milliarden Jahren in alle Richtungen versprengt. Klassischerweise würde man erwarten, dass die Ausdehnung je länger, je langsamer verläuft, da sich die Objekte durch die Gravitation gegenseitig anziehen und so nach und nach die Ausdehnung wieder bremsen. Die Beobachtungen der Supernovae widerlegen dies und diese Beschleunigung der Ausdehnung erklären Forschende mit der Existenz der Dunklen Energie, die gegensätzlich zur Gravitation wirkt und das Universum auseinandertreibt.
2. Ein anderer Hinweis auf Dunkle Energie ist sehr grob gesagt die Tatsache, dass in unserem Universum eine euklidische Geometrie herrscht. Das ist die klassiche Geometrie, die wir in der Schule lernen. Physiker und Physikerinnen sagen, dass Universum sei flach. Die sichtbare Materie und die geschätzte Dunkle Materie reichen nicht aus, damit das Universum flach ist. Erst das Vorhandensein von Dunkler Energie kann diese Tatsache erklären.