Der Dunklen Materie auf der Spur

Foto: Michael Zapf

Exzellenzserie - Teil 9: Astrophysikerin Tanja Kneiske erforscht Lichtsignale aus den Anfängen des Universums

Hamburg. Um zu verstehen, welche Rätsel Dr. Tanja Kneiske lösen will, müssen wir uns zuerst in die Weiten des Universums begeben. Dort sehen wir Planeten wie Merkur, Venus, Mars und Erde, die um die Sonne kreisen. Wir bewundern die Milchstraße, unsere Galaxie, ein Gewimmel aus Sternen, Planetensystemen, Gas- und Staubwolken. Und außerhalb dieser weiß leuchtenden Insel erstrecken sich noch mindestens 100 Milliarden weitere Galaxien.

Doch nur vier Prozent des Universums scheinen der uns vertrauten Materie zu entsprechen. Wie sich der gewaltige, unsichtbare Rest zusammensetzt, ist ein Mysterium. Und noch etwas fällt auf: Obwohl die Galaxien zu ihren Rändern hin immer schneller rotieren wie gigantische Karussells und deshalb eigentlich auseinanderfliegen müssten, scheint eine geheimnisvolle Masse sie zusammenzuhalten, eine Art Sternenkitt. Sie leuchtet nicht und reflektiert auch kein Licht, sie gibt sich nur durch ihre gravitative Wirkung zu erkennen: Dunkle Materie.

Soweit die Theorie. Denn obwohl Wissenschaftler seit Jahrzehnten nach diesem Stoff suchen, der immerhin 23 Prozent des Universums ausmachen soll, konnte noch niemand seine Existenz beweisen. Neuen Antrieb erhielt die Forschung 2007, als US-Wissenschaftler die Theorie aufstellten, Dunkle Materie halte Galaxien nicht nur zusammen, sie habe womöglich auch die Entstehung der ersten Sterne vor fast 14 Milliarden Jahren beeinflusst. Allerdings gilt auch für die ersten Sterne oder das, was von ihnen übrig sein könnte: Nachgewiesen sind sie nicht.

Das will Tanja Kneiske ändern. Die 35-jährige Astrophysikerin leitet eine Nachwuchsforschergruppe am Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg im Projekt "Connecting Particles with the Cosmos" der Landesexzellenzinitiative. An den Untersuchungen beteiligt sind auch der Fachbereich Mathematik, das Deutsche Elektronen-Synchroton (Desy) sowie die Sternwarte Bergedorf. Die Arbeit des Teams geht von einem grundlegenden Problem aus: Um Phänomene wie die Dunkle Materie zu erklären, reicht das Standardmodell der Teilchenphysik nicht aus. Es führt den Aufbau der sichtbaren Materie im Wesentlichen auf drei Sorten von Teilchen zurück, zu denen zum Beispiel die Elektronen, Quarks und Photonen gehören. Doch woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie? "Wir nähern uns dem Problem von zwei Seiten", sagt der Sprecher des Projekts, Professor Peter Schleper: "Zum einen versuchen wir, Dunkle Materie künstlich zu erzeugen, indem wir in Teilchenbeschleunigern Zustände simulieren, die dem frühen Universum entsprechen. Zum anderen erforschen wir den Kosmos. Die Erkenntnisse führen wir zusammen."

Tanja Kneiske untersucht den Kosmos - von einem sehr irdischen Standpunkt aus. Ihr Büro besteht aus zehn schmucklosen Quadratmetern; auf den Ablagen häufen sich Papierstapel. Die Wände sind tapeziert mit Weltraumpostern, in der Ecke hängt eine Tafel mit mathematischen Gleichungen. Am Computer wertet die Astrophysikerin extrem schwache Lichtsignale aus, die aus der Frühzeit des Universums stammen könnten - von den ersten Sternen. Um das zu verstehen, müsse man sich klarmachen, dass von einem Stern abgestrahltes Licht eine gewisse Zeit benötige, um einen Planeten zu erreichen, erläutert Kneiske: "Die Strahlen der Sonne etwa brauchen acht Minuten, um zur Erde zu gelangen. Wir sehen also ein acht Minuten altes Abbild der Sonne." Licht löse sich nicht auf, es "fliege" weiter durch das Universum. "Deshalb ist es möglich, Licht zu empfangen, das ein Stern vor Milliarden Jahren abgestrahlt hat - selbst wenn der Stern heute nicht mehr existiert."

Doch wie kann man solche Signale unterscheiden vom Beitrag der unzähligen Lichtquellen, die zusammen die sogenannte extragalaktische, infrarote Hintergrundstrahlung bilden? Kneiske geht dabei vor, als würde sie eine Zwiebel schälen. Ihre Grundlage sind Aufnahmen von Satelliten wie dem Planck-Weltraumteleskop, das in einem bestimmten Himmelsausschnitt Licht aus dem All misst. Weil recht genau bekannt ist, wie viel Licht die Sterne in unserer Galaxie abstrahlen, kann Kneiske diesen Anteil abziehen wie eine Schale. Weil sie durch Berechnungen mit einer selbst programmierten Software simuliert hat, wie viel Licht die Galaxien außerhalb unserer Galaxis produzieren, kann sie diesen Anteil ebenfalls abziehen. Nochmals bereinigt um Licht, das von Staubpartikeln im All reflektiert wird, bleiben Signale übrig, die von den ersten Sternen stammen könnten.

Diese Gebilde, so glaubten Forscher lange, seien entstanden, weil sich im jungen Universum Wasserstoff- und Helium-Atome zu Wolken sammelten, abkühlten und so stark verdichteten, dass die Kerne miteinander verschmolzen. Dabei wurden gewaltige Mengen an Energie frei, die die Sterne fortan als Licht abstrahlten, so lange, bis ihr Vorrat an Gas verbraucht war.

Die neue Theorie von 2007 besagt, dass sich damals auch Dunkle Materie verdichtet haben könnte, die - so eine weitere Theorie - womöglich aus sogenannten Neutralinos besteht: Teilchen, die Materie anziehen, aber auch Sterne erschaffen können. Wenn Neutralinos aufeinandertreffen, löschen sie sich gegenseitig aus. Dabei entsteht eine Reihe von Elementarteilchen, etwa Neutrinos, außerdem werden Gammastrahlung und Hitze frei. Diese Hitze könnte die Wolken aus Wasserstoff- und Heliumatomen derart aufgeheizt haben, dass ein stabiles Gebilde entstand, angetrieben von der Verbrennung Dunkler Materie in seinem Inneren, das Forscher in Analogie einen "Dunklen Stern" nennen. Aber wie kann Dunkle Materie sich selbst auslöschen und gleichzeitig als Sternenkitt fungieren? Tanja Kneiske: "Dass Neutralinos sich auslöschen, geschieht nur sehr selten."

Worauf das alles hinausläuft? Ein Nachweis der ersten, Dunklen Sterne wäre ein indirekter Nachweis von Dunkler Materie, eine Bestätigung der Theorie über Dunkle Materie. Eigentlich wissen wir immer noch sehr wenig über das Universum, oder, Frau Kneiske? Sie lacht. "Wenn wir alles wüssten, gäbe es nichts mehr, was wir erforschen könnten - das wäre doch langweilig."