Vom Coma- zum Bullet-Cluster: Wie sich die Belege für Dunkle Materie entwickelten

Dunkle Materie erkennt man an ihren Wirkungen, nicht an Licht, das wir beobachten könnten. Laut der Beschreibung der NASA wechselwirkt sie nicht wie gewöhnliche Materie mit dem elektromagnetischen Spektrum: Sie absorbiert, reflektiert und emittiert kein Licht. Ihre Schwerkraft beeinflusst jedoch Galaxien und das Licht, das durch das Universum reist. Die Entstehung der Belege lässt sich am besten anhand dreier unterschiedlicher Signale nachvollziehen: der Bewegung von Galaxien innerhalb von Galaxienhaufen, der Geschwindigkeit von Sternen in Spiralgalaxien und der Verzerrung von Hintergrundlicht.

Coma: Galaxien, die zu schnell sind

Ein Galaxienhaufen ist eine Gruppe von Galaxien, die durch die Schwerkraft zusammengehalten wird. 1933 veröffentlichte der Astronom Fritz Zwicky eine Arbeit über eine Anomalie, die er bei der Untersuchung des Coma-Clusters beobachtet hatte. Der historischen Darstellung der NASA zufolge bewegten sich die Galaxien in diesem Haufen zu schnell, als dass die Schwerkraft der beobachteten gewöhnlichen Materie ausgereicht hätte, sie zusammenzuhalten. Wenn nur diese sichtbare Materie vorhanden wäre, hätten sich die Galaxien zerstreuen müssen; sie blieben jedoch an den Haufen gebunden.

Zwicky schlug vor, dass eine unsichtbare Materieform die in dieser Erklärung fehlende Schwerkraft beisteuerte, und nannte sie „dunkle Materie“. Der Vorschlag gab einer möglichen Erklärung des Problems einen Namen, doch die frühen Untersuchungen reichten damals nicht aus, um sie zu einer weithin akzeptierten Vorstellung zu machen. Seine Bedeutung liegt in der Art des Hinweises: Die hypothetische Materie wurde nicht direkt beobachtet; beobachtet wurde vielmehr eine Bewegung, deren gravitative Erklärung mehr Masse zu erfordern schien, als sichtbar war.

Sterne in Spiralgalaxien

In den 1970er-Jahren untersuchte die Astronomin Vera Rubin einen anderen Fall: Sterne in den äußeren Bereichen von Spiralgalaxien. Laut NASA stellte sie fest, dass sie sich zu schnell bewegten, als dass die beobachtete leuchtende Materie in diesen Galaxien allein erklären könnte, wie sie auf ihren Umlaufbahnen blieben. Die Abweichung ähnelte der im Coma-Cluster, doch nun ging es um die Bewegung von Sternen innerhalb einzelner Galaxien und nicht um die Bewegung ganzer Galaxien in einem Haufen.

Rubin schloss daraus, dass mehr Materie vorhanden sein musste, als zu sehen war, um diese Galaxien zusammenzuhalten. Die vorgeschlagene Erklärung lautete, dass Dunkle Materie zusätzliche Schwerkraft beisteuerte. Die Übereinstimmung von Hinweisen aus unterschiedlichen Größenordnungen stärkte die Vorstellung: zuerst die Bewegung der Galaxien in Coma, dann die der Sterne an den Rändern der Spiralgalaxien. In der historischen Darstellung der NASA waren die mit Rubins Arbeit verbundenen Belege entscheidend dafür, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft das Konzept umfassender übernahm.

Der Gravitationslinseneffekt macht die Schwerkraft zur Karte

Ein dritter Hinweis kommt vom Licht. Die Schwerkraft einer Massenkonzentration kann die Raumzeit krümmen und dadurch den Weg des Lichts von dahinterliegenden Galaxien ablenken. Dieser Effekt heißt Gravitationslinseneffekt. Indem Astronomen messen, wie stark diese Hintergrundgalaxien scheinbar verzerrt sind, können sie die Verteilung der Masse im Vordergrundobjekt abschätzen.

Das Ergebnis ist eine aus der Lichtverzerrung erschlossene Massenkarte, kein Foto dunkler Teilchen. Der Unterschied ist wichtig: Das beobachtete Bild zeigt Formen und Positionen von Galaxien; die Karte entsteht, indem die durch die Schwerkraft verursachten Verzerrungen interpretiert werden. Wie die NASA bei der Beschreibung von Galaxienhaufen erklärt, lässt sich mithilfe des Gravitationslinseneffekts die Massenverteilung kartieren und erkennen, wo eine Konzentration erschlossen wird, die sich nicht durch sichtbare Materie erklären lässt.

Der Bullet-Cluster: Gas und Masse liegen nicht am selben Ort

Der Bullet-Cluster, offiziell als 1E 0657-56 bekannt, entstand, als zwei große Galaxienhaufen bei einem Ereignis kollidierten, das sich etwa 3.800 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt abspielte. Die NASA beschreibt Beobachtungen dieses Systems aus dem Jahr 2006 als eines der deutlichsten Beispiele für Belege zugunsten Dunkler Materie. Während der Kollision wechselwirkte das heiße Gas des einen Haufens mit dem heißen Gas des anderen.

In den von der NASA beschriebenen zusammengesetzten Bildern ist das heiße Gas – gewöhnliche Materie, die Röntgenstrahlung aussendet und vom Chandra-Observatorium der NASA nachgewiesen wurde – rosa dargestellt. Blau zeigt die aus Gravitationslinsenbeobachtungen abgeleitete Massenverteilung, die mit dem Weltraumteleskop Hubble der NASA und dem von einem internationalen Konsortium betriebenen Magellan-Teleskop gewonnen wurde. Laut der Beschreibung der NASA sind die blauen Regionen anders verteilt als das heiße Gas und machen den größten Teil der Masse der Haufen aus.

Die von der Behörde angeführte wissenschaftliche Deutung lautet, dass das mit dieser blauen Verteilung verbundene Material wahrscheinlich Dunkle Materie ist. Entscheidend ist nicht, dass Blau eine direkte Aufnahme dieser Materie wäre: Blau stellt die mithilfe des Gravitationslinseneffekts rekonstruierte Masse dar. Das Gas wiederum wird anhand seiner Röntgenstrahlung identifiziert. Der Bullet-Cluster ermöglicht somit einen Vergleich zweier unterschiedlicher beobachtbarer Größen: der Position des heißen Gases und der Bereiche, in denen der Linseneffekt eine Massenkonzentration anzeigt.

Belege aus unterschiedlichen Hinweisen

Coma, Spiralgalaxien und der Bullet-Cluster liefern nicht dieselbe Art von Beobachtung. Beim ersten lag der Schwerpunkt auf der Geschwindigkeit von Galaxien innerhalb eines Haufens; Rubin untersuchte Sterne in den äußeren Galaxienbereichen; und beim dritten ließ sich das heiße Gas mit der aus verzerrtem Licht erschlossenen Massenverteilung vergleichen. In allen drei Fällen geht Dunkle Materie aufgrund beobachteter Gravitationswirkungen in die Erklärung ein.

Dieser Verlauf hilft auch zu präzisieren, was mit Belegen gemeint ist. In Coma und in Spiralgalaxien führte die Abweichung zwischen Bewegung und sichtbarer Materie zur Schlussfolgerung, dass zusätzliche Masse vorhanden sein müsse. Beim Bullet-Cluster liefert der Gravitationslinseneffekt eine Massenkarte, die sich mit der Position des Gases vergleichen lässt. Der NASA zufolge ist das mit den blauen Regionen verbundene Material wahrscheinlich Dunkle Materie. Die Stärke dieser Geschichte liegt darin, dass unterschiedliche Hinweise auf Masse deuten, die sich nicht anhand ihres Lichts identifizieren lässt – auch wenn jeder Hinweis auf einer anderen Beobachtung beruht.