Bausteine des Universums: Sichtbare/Dunkle Materie & Energie

In diesem Artikel tauchen wir ein in die faszinierende Komplexität des Universums.

Wir beginnen mit Einsteins revolutionärer Formel E = mc², die unser Verständnis von Materie und Energie grundlegend veränderte, und erforschen die tiefen Geheimnisse der dunklen Materie und dunklen Energie, die das Universum zusammenhalten und sein Wachstum antreiben.

Unser Weg führt uns durch die erstaunliche Vielfalt des Kosmos, von den kleinsten Elementarteilchen bis zu den gigantischen Galaxienhaufen, die das Gewebe des Universums bilden.

Das Wichtigste in Kürze

  • Materie und Energie: Gemäß Einsteins Formel E = mc² sind Materie und Energie eng miteinander verbunden. Das Universum besteht aus sichtbarer Materie (6,2 %) und dunkler Materie (24,8 %), sowie aus Energie.
  • Dunkle Materie: Dunkle Materie, die 24,8 % des Universums ausmacht, ist nur durch ihre Gravitationskraft erkennbar. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Struktur und Dynamik von Galaxien.
  • Dunkle Energie: Mit 69 % den größten Anteil des Universums bildet die Dunkle Energie, die für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich ist. Ihre Natur bleibt ein zentrales Mysterium in der Astrophysik.
  • Forschungsfortschritt: Moderne Forschungsinstrumente wie der Large Hadron Collider (LHC) und theoretische Modelle erweitern ständig unser Verständnis des Universums und seiner verschiedenen Komponenten.

Einführung

Alles, was im Universum existiert, gehört in die Kategorien

  • „sichtbare und dunkle Materie oder
  • „Energie.

Materie (m) und Energie (E) sind miteinander verknüpft. Die Äquivalenz von Masse und Energie oder kurz E = mc² ist ein 1905 von Albert Einstein im Rahmen der Speziellen Relativitätstheorie entdecktes Naturgesetz.

Diese berühmte Einstein-Formel, in der der Buchstabe c für die Lichtgeschwindigkeit steht, besagt, dass die Masse und die Ruheenergie eines Objekts zueinander proportional sind: Darin ist die Lichtgeschwindigkeit. Wegen dieser „Äquivalenz“ können Physiker Energie und Materie mit der gleichen Maßeinheit versehen und dann mengenmäßig miteinander vergleichen.

Dadurch haben die Astrophysiker heute schon eine recht genaue Vorstellung von den Bausteinen des Universums zum gegenwärtigen Zeitpunkt, während in der Frühzeit des Universums, d.h. zum Zeitpunkt der Entkopplung der Materie von der Hintergrundstrahlung, die Zusammensetzung noch wesentlich anders war.

Harald Lesch und Josef M. Gaßner haben in ihrem Buch: „Weltall und das Leben: Vom Nichts bis heute Morgen“ (Komplett-Media) in einem kurzweiligen Dialog den aktuellen Stand der Wissenschaft so verständlich und anschaulich wie nur möglich beschrieben. Das Universum entsteht aus dem Nichts und lädt zum Staunen ein.

Der ewige Kreislauf aus Strukturbildung und kosmischen Katastrophen lässt faszinierende Objekte werden und vergehen. Sternengeburt und Sternentod reihen sich aneinander, bis hin zu einer wundersamen Metamorphose – der Selbstorganisation von toter Materie zu lebenden Organismen.

Sichtbare Materie: Der 6,2%-Baustein des Universums

Das Universum ist komplex und kompliziert. Dabei stellen wir „Normalbürger“ uns als „Materie“ (lateinisch materia, Stoff) nur all dasjenige vor, das wir kennen und wahrnehmen können: etwa in Gestalt Menschen, Steinen, Ozeanen, ja unserer ganzen Erde, allen Planeten, Monden und Sternen.

In den Naturwissenschaften ist Materie hingegen eine Sammelbezeichnung für alles, aus dem physikalische Körper aufgebaut sein können, also chemische Stoffe bzw. Materialien, sowie deren Bausteine, d.h. 6,2 % des gesamten Masse-Energie-Inhaltes des Universums.

Die Beschreibung der Zusammensetzung, Struktur und Dynamik von Materie in ihren verschiedenen Formen ist eine zentrale Zielsetzung der Physik. Der Materie stehen in der klassischen Physik die Begriffe Vakuum und Kraftfeld gegenüber.

Unter Materie versteht man in der klassischen Physik alles, was Raum einnimmt und eine Masse besitzt. Dagegen haben Vakuum und Kraftfeld keine Masse, sondern beschreiben einen Zustand des leeren Raums.

In der modernen Physik wurde der Materiebegriff insbesondere durch die Relativitätstheorie und die Quantenphysik mehrfach erweitert und ist heute in seiner Abgrenzung gegenüber den Begriffen Vakuum und Feld nicht mehr einheitlich festgelegt.

In seiner engsten Bedeutung umfasst der Materiebegriff heute alle Elementarteilchen mit Spin 1/2, also Quarks und Leptonen, sowie alle daraus aufgebauten Objekte wie Atome, Moleküle, feste, flüssige und gasförmige Materie usw. bis hin zu Sternen und Galaxien.

Fragt man nach der „Materie im Universum“, so betrifft dies also nicht nur Sonne, Mond und Sterne, sondern (von lateinisch universus ‚gesamt’): „alles“, vom Allerkleinsten bis zum Allergrößten.

Mit meiner laienhaften Vorstellung will ich daher versuchen, den Aufbau der Materie möglichst kurz zusammenzufassen:

  • von den kleinsten Elementarteilchen der Materie
  • bis hin zu den größten Zusammenballungen der Materie in den großen Gallaxiehaufen der wabenartigen Struktur des Universums, mit wahrscheinlich vielen Milliarden Galaxien und gigantischen Sternansammlungen von jeweils etwa 100 Milliarden Sternen.

Dunkle Materie: Der 24,8%-Baustein des Universums

Die Existenz Dunkler Materie wurde schon von dem französische Astronomen Pierre-Simon (Marquis de) Laplace (*1749; †1827) um 1800 diskutiert.

Albert Einstein hat dann die Existenz Dunkler Materie und sog. Schwarzer Löcher als Bestandteil des Universums vorhergesagt, denn seiner Allgemeinen Relativitätstheorie zufolge verformt eine ausreichend kompakte Masse die Raumzeit so stark, dass sich ein Schwarzes Loch bildet.

Auch Stephen Hawking hat die Theorie von Einstein dann weiter präzisiert und in seinem 1988 erschienenen Bestseller A Brief History of Time („Eine kurze Geschichte der Zeit“ – Rowohlt Taschenbuch Verlag) seine Theorien zur Entstehung Schwarzer Löcher näher beschrieben: „Dunkle Materie“ bzw. „Schwarze Löcher“ sind Objekte, deren Gravitation so extrem stark ist, dass aus diesem Raumbereich keine Materie und kein Lichtsignal nach außen gelangen kann. Dabei kann man sie nicht einmal sehen. Sie verschlucken alles, was ihnen in den Weg kommt, sogar das Licht.

James Peebles, hat schließlich in seinen Ideen zum Aufbau des Weltalls theoretische Vorhersagen dazu gemacht, dass Dunkle Materie aus Elementarteilchen bestehen könnte. Im Jahr 2019 erhielt er für seine grundlegenden Erkenntnisse zur Entwicklung des Universums eine Hälfte des Physik-Nobelpreises.

Die „Dunkle Materie verrät sich nur über ihre Gravitationskraft. Rotierende Spiralgalaxien zum Beispiel fliegen nur deshalb nicht auseinander, weil es in ihnen außer den leuchtenden Sternen auch noch Dunkle Materie gibt, die gleichsam als Kitt das ganze Gebilde per Schwerkraft zusammenhält.

Woraus die Dunkle Materie im All besteht, ist eine ungeklärte Frage. Doch die Physiker haben dazu immerhin einige Ideen, die experimentell mithilfe von Teilchenbeschleunigern bestätigt werden könnten. Die Suche nach diversen Kandidaten für Dunkle Materie hat begonnen.

Die Spiralgalaxie Messier 81. Dunkle Materie hält sie zusammen
Copyright: NASA

Wie bereits dargestellt, dehnt sich das Universum nicht nur immer weiter aus, vielmehr verläuft dieser Prozess sogar beschleunigt. Für diese Erkenntnis wurden im Jahr 2011 drei Wissenschaftler mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Um das immer rasanter werdende Aufblähen des Weltalls erklären zu können, proklamierten Astrophysiker die Existenz einer hypothetischen, im Vakuum selbst steckenden Energie. Sie wurde auf den Namen „Dunkle Energie getauft und ist bis heute mysteriös geblieben.

Deshalb sind neue Erkenntnisse hier nicht nur nicht ausgeschlossen, sondern geradezu erwünscht. Denn es gibt sogar Wissenschaftler, die die Existenz der Dunklen Energie bezweifeln. Dies ist zwar eine Minderheitenmeinung, doch Forscher der Yonsei-Universität in Seoul sowie der Universität von Lyon sind davon überzeugt, dass alle bisherigen Berechnungen zur Dunklen Energie von falschen Prämissen ausgehen.

Inzwischen ist bewiesen, dass es die Dunkle Materie tatsächlich gibt und dass sie 24,8 % der gesamten Materie des Universums ausmacht. Die Wissenschaftler entdeckten die Dunkle Materie, als sie die Umlaufbahnen von Sternen in Galaxien beobachteten.

Dabei bemerkten sie, dass Galaxien mehr als nur die sichtbare Materie enthalten müssen. Da die Schwerkraft mit der Entfernung nachlässt, müssten der Gravitationstheorie zufolge Himmelskörper das massereiche Zentrum einer Galaxie umso langsamer umkreisen, je weiter außen ihre Bahn verläuft.

Tatsächlich aber bewegen sich die Sterne auf jeder Bahn annähernd gleich schnell. Deshalb müssen also weitere Gravitationskräfte wirken, die durch eine nicht sichtbare Form von Materie hervorgerufen werden.

Dort draußen muss es daher noch etwas anderes geben als die bereits bekannten Teilchen – etwas, das die Forscher „Dunkle Materie“ getauft haben. Nach ihr wird weiterhin gesucht, aber nicht nur in den Weiten des Weltalls, sondern auch in den Tiefen des CERN.

Wissenschaftler suchen deshalb im Teilchenbeschleuniger „Large Hadron Collider“ (LHC) nach weiteren Partikeln – und simulieren dafür den Urknall. Neben vielen anderen Experimenten sind die CERN-Physiker einem der größten Rätsel der Teilchen-Physik auf der Spur: dieser Dunklen Materie und den sog. Schwarzen Löchern.

Dunkle Energie: Der dominierende 69%-Baustein des Universums

Es war irgendwann im Frühling 1998, als ein internationales Forscherteam erstmals systematische Beobachtungen ferner Sternexplosionen auswertete. Die Astronomen waren und sind noch heute ebenso fasziniert wie verwirrt von den Daten, die buchstäblich die Welt bewegen.

Denn von dem allergrößten Teil des Universums, d.h. der unsichtbaren Dunklen Materie mit 24,8 % und der Dunklen Energie mit 69 %, insgesamt also 93,8 % des Masse-Energie-Inhalt des Universums wissen wir mithin bislang nicht, woraus es besteht. Den weitaus größten Anteil an der Gesamtdichte von Materie und Energie im Universum macht also ein Energiefeld aus, das den Kosmos beschleunigt auseinandertreibt.

In den 1980er Jahren geriet die Kosmologie in eine Krise, weil die Messdaten zur Hintergrundstrahlung nicht mit den theoretischen Modellen in Einklang standen. Den mathematischen Ausdruck für diese geheimnisvolle „Dunkle Energie“ des Raumes hatte bereits Albert Einstein in die Gleichungen der „Allgemeinen Relativitätstheorie“ eingeführt – wenngleich er damit ursprünglich ein nicht expandierendes Weltall konstruieren wollte.

Es ist abstrakte Mathematik, mit der sich die ganze Welt, von den kleinsten Teilchen bis hin zu den größten Strukturen im Universum, beschreiben lassen soll. Eigentlich sollte die gegenseitige Anziehung der Materie die Ausdehnung des Kosmos langsam abbremsen, doch stattdessen expandiert er immer schneller. Bisher weiß niemand, was für die zunehmende Expansion verantwortlich sein könnte.

Eigentlich sollte die gegenseitige Anziehung der Materie die Ausdehnung des Kosmos langsam abbremsen, doch stattdessen expandiert er immer schneller. Bisher weiß niemand, was für die zunehmende Expansion verantwortlich sein könnte.

Dies veranlasste James Peebles, der am 10.12.2019 in Stockholm den Physik-Nobelpreis erhielt, 1984 zu seiner vielleicht größten wissenschaftlichen Leistung und einem radikalen Schritt: Er rehabilitierte Einsteins „Eselei“ und führte die ursprünglich von Albert Einstein ersonnene sog. kosmologische Konstante wieder ein.

Die „kosmologische Konstante“ genannte Kraft wurde dann 1998 von Michael S. Turner in der Kosmologie unter der Bezeichnung „Dunkle Energie als eine hypothetische Form dieser Energie eingeführt. Diese „Dunkle Energie“ wirkt der anziehenden Kraft der Gravitation entgegen und soll die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums erklären. Sie ist daher auch ein wichtiger Parameter in Modellen zur Strukturbildung im Universum.

Schlussgedanken

Von den kleinsten Teilchen bis zu den großartigsten Galaxien spiegelt unser Verständnis des Universums eine Geschichte kontinuierlicher Entdeckung und Bewunderung wider.

Die Reise von der sichtbaren Materie zu den rätselhaften Konzepten der dunklen Materie und Energie reflektiert die sich entwickelnde Natur wissenschaftlicher Untersuchungen.

Mit dem Fortschritt der Forschung, mit Werkzeugen wie dem LHC und anhaltenden theoretischen Fortschritten, vertieft sich unsere Wahrnehmung der Zusammensetzung des Universums und illustriert die sich ständig entfaltenden Geheimnisse des Kosmos.

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