Inhalt des Universums (Quelle: HAP / A. Chantelauze)

In den letzten Jahren haben Beobachtungen zu einem vereinheitlichten Bild der Struktur unseres Universums geführt, das als Konkordanzmodell bezeichnet wird. Danach bestehen nur rund 4 % des Universums aus gewöhnlicher Materie! Den jüngsten Messungen und kosmologischen Modellen zufolge scheinen 74 % des kosmischen Energiehaushalts aus dunkler Energie und 22 % aus dunkler Materie zu bestehen. Dunkle Materie erweist sich dabei als Hauptbestandteil der kosmischen Materie. Sie führt mittels Schwerkraft zu den sichtbaren Strukturen des Universum, sendet selbst jedoch kein Licht aus und absorbiert es auch nicht.

Dunkle Materie (DM) besteht wahrscheinlich aus neuartigen, uns noch unbekannten Teilchen. Diese stabilen Teilchen wurden im frühen Universum gebildet und haben sich kurz nach dem Urknall von normaler Materie entkoppelt. Dabei waren sie im Gegensatz zu normaler Materie bereits nicht-relativistisch, weshalb man auch von kalter dunkler Materie (CDM, cold dark matter) spricht. Während normale Materie durch den enormen Strahlungsdruck noch keine Strukturen ausbilden konnte, entwickelte die CDM bereits erste überdichte Regionen.

Neutrinos galten lange als ein idealer Kandidat für die Dunkle Materie. Allerdings waren Neutrinos im frühen Universum extrem energiereich und bewegten sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit. Sie wären somit heiße dunkle Materie (HDM, hot dark matter) und hätten daher Strukturen wie unsere Galaxie durch ihre ungehinderte Bewegung verhindert, weshalb sie in aktuellen Bilnazen des Universums nur einen kleinen Teil der Dunklen Materie ausmachen können.

Dunkle Materie hat bei der Bildung der heute beobachtbaren Strukturen im Universum eine entscheidende Rolle gespielt. Allerdings muss ihre genaue Teilchen-Beschaffenheit erst noch bestimmt werden. Die Entdeckung neuer Teilchenarten, die vielleicht auch dunkle Materie umfassen, würde ein Schlüsselelement des Universums bestätigen, wie wir es heute kennen. Der aussichts-reichste Kandidat ist ein Teilchen mit schwacher Wechselwirkung, ähnlich den Neutrinos, aber viel schwerer als das Proton: ein WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), ein schwach wechselwirkendes massereiches Teilchen. Ein solches Teilchen wird auch von den Supersymmetrie-(SUSY)-Theorien der Teilchenphysik nahegelegt.

Nachweis von dunkler Materie

	Nachweis von dunkler Materie (Quelle: HAP / A. Chantelauze)

Die ersten Hinweise auf dunkle Materie stammen aus der Kinematik von Galaxien und Galaxienhaufen, wie man sie im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts durch Beobachtungen mit erdgebundenen optischen Teleskopen aus erkannt hat. Seitdem ist die dunkle Materie zu einem Eckstein des kosmologischen Standardmodells geworden und gründet sich heute auf viel umfassenderes Beweismaterial als die optische Astronomie, z.B. auch auf die Radioastronomie.

Mit direkten Methoden sucht man nach Rückstoßsignalen, wie sie entstehen, wenn WIMPs an Atomkernen stoßen. Da dunkle Materie höchstwahrscheinlich selten wechselwirkt und nur schwache Signale hinterlässt, lassen sich ihre Teilchen vielleicht zuerst in Laboratorien tief unter der Erde beobachten, die gut gegen Radioaktivität und kosmische Strahlung abgeschirmt sind, die Signale dunkler Materie vortäuschen könnten.

Mit indirekten Methoden kann man nach Sekundärteilchen aus der Vernichtung von Teilchen dunkler Materie in Himmelsregionen von hoher Dichte suchen, etwa der Sonne oder dem Zentrum unserer Galaxie. Produkte solcher Annihilationen von dunkler Materie (Neutrinos, Gammastrahlen, Antimaterie) lassen sich mit bodengebundenen Gammateleskopen , mit Neutrino-Teleskopen in großen Wassertiefen oder im Eis der Antarktis oder auch mit Teilchendetektoren für kosmische Strahlung im Weltraum nachweisen.

Schließlich kann auch der Large Hadron Collider (LHC) am CERN erste Hinweise für Kandidaten liefern, die als dunkle Materie in Frage kommen, nämlich über ihre Produktion bei Wechselwirkungen energiereicher Teilchen in Teilchenkollisionen.