mini|hochkant=2|Die beobachtete Umlaufgeschwindigkeit von Sternen ist in den Außenbereichen von Galaxien höher als auf Basis der sichtbaren Materie zu erwarten ist Dunkle Materie ist eine postulierte Form von Materie, die nicht direkt sichtbar ist, aber über die Gravitation wechselwirkt. Ihre Existenz wird im Standardmodell der Kosmologie, dem Lambda-CDM-Modell, postuliert, um innerhalb dieses Modells die Bewegung der sichtbaren Materie zu erklären, insbesondere die Geschwindigkeit, mit der sichtbare Sterne das Zentrum ihrer Galaxie umkreisen. In den Außenbereichen ist diese Geschwindigkeit deutlich höher, als man es allein aufgrund der Gravitation der Sterne, Gas- und Staubwolken erwarten würde.
Auch für die beobachtete Stärke des Gravitationslinseneffekts wird Dunkle Materie postuliert. Nach dem Lambda-CDM-Modell werden viele beobachtete Effekte zu nur etwa einem Sechstel von sichtbarer Materie verursacht, die im Standardmodell der Elementarteilchenphysik erfasst wird. Die Existenz der Dunklen Materie ist eine wichtige offene Frage der Kosmologie.
Zu alternativen Erklärungsmodellen für die Beobachtungen siehe den Abschnitt Alternativen zu Dunkler Materie unten.
Existenz und Bedeutung mini|hochkant=1.5|Materie- bzw. Energieanteil des Universums zum jetzigen Zeitpunkt (oben) und zur Entkopplungszeit, 380.000 Jahre nach dem Urknall (unten). Die Bezeichnung „Atome“ steht hier für „normale Materie“. Auch über die Natur der Dunklen Energie ist wenig bekannt.
Nach dem Dritten Keplerschen Gesetz und dem Gravitationsgesetz nimmt die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne mit wachsendem Abstand vom Galaxiezentrum, um das sie rotieren, ab, da die sichtbare Materie innen konzentriert ist. Messungen der Doppler-Verschiebung zeigen jedoch, dass sie konstant bleibt oder sogar ansteigt, siehe Rotationskurve. Dies legt die Vermutung nahe, dass es dort Masse gibt, die nicht in Form von Sternen, Staub oder Gas sichtbar ist – eben Dunkle Materie.
Ihre Existenz gilt bisher als nicht nachgewiesen, wird aber durch weitere astronomische Beobachtungen wie die Dynamik von Galaxienhaufen und den Gravitationslinseneffekt nahegelegt, die durch die sichtbare Materie allein nicht erklärbar sind, wenn man die anerkannten Gravitationsgesetze zugrunde legt.
Der Dunklen Materie wird eine wichtige Rolle bei der Strukturbildung im Universum und bei der Galaxienbildung zugeschrieben. Messungen im Rahmen des Standardmodells der Kosmologie legen nahe, dass der Anteil der Dunklen Materie an der Masse-Energie-Dichte im Universum etwa fünfmal so hoch ist wie derjenige der sichtbaren Materie. Auch Photonen und Neutrinos tragen zur Energiedichte des Universums bei, sind aber gleichmäßig verteilt und an den beobachteten Gravitationseffekten nicht wesentlich beteiligt.
Indizien für die Existenz Dunkler Materie Es gibt gut etablierte Indizien für Dunkle Materie auf drei Größenskalen: Supergalaxienhaufen, Galaxienhaufen und Galaxien. Der Skalenbereich zwischen Galaxien und Galaxienhaufen, insbesondere die kosmische Nachbarschaft der Milchstraße, ist erst in jüngster Vergangenheit in den Fokus der Suche nach Dunkler Materie gerückt.M. J. Reid, A. Brunthaler, K. M. Menten, L. Loinard, J. Wrobel: Motions of Galaxies in the Local Group and Beyond: an Astro2010 Science White Paper. 2009. Ein beträchtlicher Teil der größeren Kugelsternhaufen (über 1 Mio. Sonnenmassen) der Galaxie Centaurus A (NGC 5128) enthält überwiegend Dunkle Materie.Matthew A. Taylor u. a.: Observational Evidence for a Dark Side to NGC 5128’s Globular Cluster System. ApJ 805, 2015, S. 65. doi:10.1088/0004-637X/805/1/65 (online).
Beobachtungsgeschichte mini|hochkant=3|Links: Animation einer Galaxie mit einer Rotationskurve, wie sie ohne Dunkle Materie zu erwarten wäre. Rechts: Galaxie mit einer flachen Rotationskurve ähnlich der Rotationskurve real beobachteter Galaxien.
Der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort vermutete 1932 die Existenz Dunkler Materie im Bereich der Scheibe der Milchstraße aufgrund seiner Untersuchungen zur Anzahldichte und Geschwindigkeitsverteilung senkrecht zur Scheibe von verschiedenen Sternpopulationen und für verschiedene Abstände zur Scheibe. Er ermittelte daraus eine Massendichte in der Scheibe (in der Umgebung der Sonne) von 0,092 Sonnenmassen pro Kubikparsec, was weit größer war als die damals bekannte Dichte von 0,038 in Form von Sternen.J. H. Oort: The force exerted by the stellar system in the direction perpendicular to the galactic plane and some related problems. In: Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands. August 1932, Band 6, S. 249–287. . Der heutige Wert der mit ähnlichen Methoden erschlossenen Dichte beträgt 0,1 bis 0,11 ; allerdings wurde ein Großteil der Diskrepanz als Gas und Staub identifiziert, zusammen mit der stellaren Masse 0,095 .V.I. Korchagin u. a.: Local Surface Density of the Galactic Disk from a 3-D Stellar-Velocity Sample. 2003 ().
Ungefähr gleichzeitig beobachtete der Schweizer Physiker und Astronom Fritz Zwicky 1933, dass der Coma-Haufen (ein Galaxienhaufen, bestehend aus über 1000 Einzelgalaxien, mit großer Streuung der Einzelgeschwindigkeiten und einer mittleren Entfernungsgeschwindigkeit von 7.500 km/s) nicht durch die Gravitationswirkung seiner sichtbaren Bestandteile (im Wesentlichen die Sterne der Galaxien) allein zusammengehalten wird. Er stellte fest, dass das 400-fache der sichtbaren Masse notwendig ist, um den Haufen gravitativ zusammenzuhalten. Seine Hypothese, dass diese fehlende Masse in Form Dunkler Materie vorliege, stieß seinerzeit in der Fachwelt auf breite Ablehnung.
Die Analyse der Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in Spiralgalaxien durch Vera Rubin seit 1960 zeigte erneut die Problematik auf: Die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne müsste mit zunehmendem Abstand zum Galaxiezentrum viel niedriger sein, als sie tatsächlich ist. Seitdem wurde die Dunkle Materie ernst genommen und aufgrund detaillierter Beobachtungen in fast allen großen astronomischen Systemen vermutet.
Mit der Durchführung großräumiger Durchmusterungen von Galaxienhaufen und Galaxiensuperhaufen wurde zusätzlich deutlich, dass diese Konzentration an Materie nicht allein durch die sichtbare Materie bewerkstelligt werden konnte. Von der sichtbaren Materie ist zu wenig vorhanden, um durch Gravitation die Dichtekontraste zu erzeugen. Siehe dazu auch Sloan Digital Sky Survey und Struktur des Kosmos.
mini|Gravitationslinse: Die Verzerrung des Lichts einer entfernten Galaxie wird durch die Masse in einem Galaxienhaufen im Vordergrund erzeugt. Aus der Verzerrung lässt sich die Massenverteilung bestimmen, dabei tritt eine Diskrepanz zwischen beobachteter Materie und bestimmter Masse auf.
Vergleichende Beobachtungen des Gravitationslinseneffekts, der Galaxienverteilung und der Röntgenemission im Bullet-Cluster im Jahr 2006 stellen den bislang stärksten Hinweis auf die Existenz Dunkler Materie dar.
Modelle und Simulationen Das Standardmodell der Kosmologie, das Lambda-CDM-Modell, ergibt in der Zusammenfassung verschiedener Ergebnisse der beobachtenden Kosmologie folgende Zusammensetzung des Universums nach Massenanteil: Etwa 68,3 Prozent Dunkle Energie, 26,8 Prozent Dunkle Materie, rund 4,9 Prozent „gewöhnliche Materie“, beispielsweise Atome (nach Planck-Weltraumteleskop). Die „gewöhnliche Materie“ unterteilt sich dabei etwa hälftig in selbstleuchtende (beispielsweise Sterne) und nicht selbstleuchtende Komponenten wie Planeten und vor allem kaltes Gas.
Dieses Modell hat sich auch in großräumigen kosmologischen Simulationen bewährt, beispielsweise in der Millennium-Simulation, da es zu einer Strukturentstehung führt, die der derzeitigen Beobachtungslage entspricht. Darauf aufbauende lokale Simulationen einiger Dunkle-Materie-Halos, die dem der Milchstraße ähnlich sind, machen statistische Vorhersagen darüber, wie groß die Dichte der Dunklen Materie im Bereich des Orbits der Sonne um das galaktische Zentrum ist und welche Geschwindigkeitsverteilung diese Teilchen haben. Diese Parameter beeinflussen Detektorexperimente auf der Erde, die Dunkle Materie direkt nachweisen wollen, und sind dadurch testbar. Aufgrund der Feststellung, dass Strukturen in der Verteilung der Dunklen Materie bevorzugt in den Halos der Galaxien konzentriert sind, lassen sich großräumige Netzstrukturen beobachteter Galaxie-Verteilungen mit Computersimulationen von großräumigen, aber leider nicht-beobachtbaren Netzen Dunkler Materie vergleichen, wobei mathematische Theoreme über die statistische Struktur solcher Netze nützlich sind.Herbert Wagner: Morphometrie von Mustern. In: Physik Journal. 2016, Band 15, Nr. 8/9, S. 41–45, speziell Abbildung 3, 4 und 5.
Eine weitere Vorhersage dieser Simulationen ist das charakteristische Strahlungsmuster,Total emission. – Charakteristisches Strahlungsmuster Auf: mpa-garching.mpg.de; in: archive.org; zuletzt abgerufen am 1. August 2024. das entsteht, wenn Dunkle Materie durch Annihilationsprozesse Gammastrahlung aussendet.
Versuche des Nachweises von Dunkler Materie
Versuche des direkten Nachweises Bislang ist der direkte Nachweis von Teilchen der Dunklen Materie nicht erfolgt. Es werden verschiedene Ansätze zum Nachweis anhand von Interaktionen verfolgt.
Nachweis durch korrelierte Photon/Elektron-Detektierung Zu den von einigen Theorien bevorzugten Kandidaten für die Dunkle Materie zählen sogenannte schwach wechselwirkende massereiche Teilchen (WIMPs). Diese suchen Forscher beispielsweise im Rahmen des XENON Dark Matter Projects im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso. Dort ist man vom störenden Hintergrund der Kosmischen Strahlung abgeschirmt. Bei einer Wechselwirkung eines WIMPs mit Xenon wird die Freisetzung von Szintillationslicht und Elektronen durch Ionisation erwartet.
Nachweis durch korrelierte Phonon/Photon-Detektierung Das 2016 begonnene COSINUS-Experiment (Akronym für Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches) verwendet zum Beispiel gekühlte Natriumjodid-Einkristalle, die als Szintillator dienen und gleichzeitig ein hochempfindliches Kalorimeter beinhalten. Es kommen supraleitende Wolfram-Dünnschicht-Phasenübergangs-Sensoren (Transition Edge Sensors, kurz TES) als Thermometer zum Einsatz. Man erwartet Wechselwirkungen, die sich durch eine Koinzidenz der Gitteranregung und der Photonenaussendung, verbunden mit einem bestimmten Verhältnis der beiden Energien zueinander, auszeichnen und sich dadurch von Störereignissen (zum Beispiel durch radioaktive Verunreinigungen) unterscheiden.G. Angloher, P. Carniti, L. Cassina et al.: The COSINUS project: perspectives of a NaI scintillating calorimeter for dark matter search. In: Experimental Physics. 2016, Band 76, Artikelnummer: 441, .
Röntgenstrahlung durch Paarvernichtung Nach Untersuchungen der Beobachtungen, die 2014 von mehreren unabhängigen Gruppen durchgeführt wurden, wurde über das Vorhandensein einer zuvor unentdeckten Spektrallinie mit einer Energie von 3,5 keV in der Röntgenstrahlung entfernter Galaxien und Galaxienhaufen berichtet. Diese Linie könnte einen Hinweis auf die Natur der Dunklen Materie geben. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass Dunkle-Materie-Teilchen zerfallen und dabei Röntgenstrahlen aussenden könnten. In einer Durchmusterung des gesamten XMM-Newton-Datenarchivs bis 2018 nach Röntgenlinien aus dem Milchstraßenhalo wurde keine Emission gefunden. Dies bestätigt ähnliche Untersuchungen mit Chandra und NuSTAR und setzt die bis 2021 besten Obergrenzen für zerfallende Dunkle Materie.