Rätsel der Dunklen Materie & Schwarzen Löcher

Das Universum, unermesslich in seiner Größe und Komplexität, birgt zahlreiche Geheimnisse. Unter diesen sind die Dunkle Materie und Schwarze Löcher zwei der größten Rätsel, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten zu lösen versuchen.

Dieser Artikel beleuchtet die neuesten Erkenntnisse und Theorien in diesen beiden faszinierenden Bereichen der Astrophysik.

Die ungelösten Rätsel der Dunklen Materie

Nach wie vor ist es ein großes Rätsel, woraus die Dunkle Materie im Universum besteht und über die mysteriösen Teilchen der dunklen Materie ist erstaunlich wenig bekannt.

Obwohl es zahlreiche Projekte gibt, die einen Nachweis zum Ziel haben, ist es bisher nicht gelungen, auch nur ein einziges Teilchen der dunklen Materie direkt mithilfe eines Detektors aufzuspüren.

Schwarze Löcher können die Entstehung und die Bewegung von Galaxien erklären – und vielleicht sogar noch mehr: In letzter Zeit mehren sich Studien, denen zufolge die Dunkle Materie, nach der Physiker weltweit seit Jahrzehnten fahnden, teilweise oder vollständig aus Schwarzen Löchern bestehen könnte.

Schwarze Löcher: Das Herzstück kosmischer Geheimnisse

Die Existenz Schwarzer Löcher war lange umstritten. Inzwischen wurden sie nachgewiesen, doch noch immer ist vieles unklar. Etwa, ob es eines in unserem Sonnensystem gibt – und ob sie etwas mit Dunkler Materie zu tun haben.

Schwarze Löcher zählen zu den faszinierendsten Objekten im Universum – für Physiker wie für Laien: Ihre Schwerkraft ist so groß, dass ihnen nicht einmal Licht mit seiner Geschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde entkommen kann.

Daher sind diese Objekte nicht zu sehen, und deshalb war es auch so schwer, sie nachzuweisen.

Neuere Instrumente wie das Ende 2021 gestartete James-Webb-Weltraumteleskop könnten allerdings Aufschluss darüber geben, ob es sog. primordiale Schwarze Löcher geben könnte, also Schwarze Löcher, die unmittelbar nach dem Urknall entstanden wären, noch vor den ersten Sternen.

Die Existenz derartiger Schwarzer Löcher war lange umstritten. Denn diese würden dem aktuellen kosmologischen Standardmodell widersprechen: Demnach entsteht ein Schwarzes Loch, wenn ein massereicher Stern am Ende seiner Existenz in einer Supernova explodiert und sein Kernbereich durch die enorme Schwerkraft kollabiert.

Seit den 1980er-Jahren gibt es die Hypothese, dass dunkle Materie aus nicht geladenen, schweren Elementarteilchen besteht. Alle Strukturen, die die Wissenschaftler im Universum messen, lassen sich mit dieser Annahme perfekt erklären.

Eigentlich ein großer Triumph. Doch leider ist es bislang nicht gelungen, ein solches Teilchen nachzuweisen. Langsam werden manche Physiker nervös und suchen alternative Erklärungen. Eine von mehreren Hypothesen zur Erklärung der mysteriösen dunklen Materie sind die Schwarzen Löcher. Die große Frage ist nur, wie man diese experimentell nachweisen kann. Und was man nicht messen kann, bleibt Theorie.

Bisher ist völlig unklar, aus welchen Teilchen die Dunkle Materie besteht.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie wie die sichtbare Materie auch aus dem Urknall hervorgegangen ist und somit die Entwicklung des Weltalls von Anfang an mitgeprägt hat. Doch im Gegensatz zur sichtbaren Materie kennen sie ihre Zusammensetzung nicht.

Anhand komplizierter Messungen können die Forscher zwar Rückschlüsse darauf ziehen, welche Masse die dunkle Materie im Universum einnimmt und wie sie verteilt ist. Ob sie aber außer einer Sorte von Teilchen besteht oder aus unterschiedlichen Teilchen, lässt sich noch nicht mit Gewissheit sagen.

Während die kleinsten Teilchen der sichtbaren Materie – etwa Quarks – in vielfacher Wechselwirkung miteinander stehen, treten die Partikel der dunklen Materie kaum in Wechselwirkung miteinander und bilden wahrscheinlich schon auf der Ebene der Teilchen keine komplexeren Strukturen, sondern schwirren eher einzeln und frei umher, wie die Teilchen in einem idealen Gas.

Die „Dunkle Materie“ wechselwirkt nicht elektromagnetisch, insbesondere nicht mit Licht. Alle Kandidaten, ob schwere WIMPs und SIMPs, leichte Axionen, sterile Neutrinos oder sogar „dunkle Photonen“ sind bislang rein hypothetisch.

Neue Hypothesen und Experimente

Eine Zeit lang gingen die Wissenschaftler davon aus, dass es sich bei der dunklen Materie in Wahrheit um die winzigen Teilchen von Neutrinos handeln könnte, sich mit annähernd der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und – wie die dunkle Materie – durch gewöhnliche Materie hindurch rauschen, ohne dass wir dies mitbekommen.

Inzwischen wissen die Forscher aber, dass die gesamte Masse der Neutrinos nicht ausreicht, um die Wirkung der dunklen Materie zu erklären. Daher müssen noch völlig unbekannte Teilchen dafür verantwortlich sein. Ihre Natur gibt daher weiterhin Rätsel auf.

Auf der „Wunschliste“ der Gravitationswellen-Forscher gab es seitdem 3 Typen von Ereignissen:

• die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher,
• die Kollision zweier Neutronensterne und
• die Einverleibung eines Neutronensterns durch ein Schwarzes Loch.

Alle diese Ereignisse haben die Forscher inzwischen beobachten und nachweisen können. Zudem könnte ein neues Experiment am CERN zwei der größten Rätsel der Physik auf einmal lösen:

• die Natur der Dunklen Materie und
• die fehlende Antimaterie.

Fazit: Eine ständige Suche nach Antworten

Die Wissenschaft steht vor der Herausforderung, die Dunkle Materie und Schwarze Löcher nicht nur theoretisch zu erklären, sondern auch experimentell nachzuweisen. Diese Forschung wird unser Verständnis des Universums und seiner Entstehung weiter vertiefen.