Kosmische Machos - wissenschaft.de
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Kosmische Machos

Wo versteckt sich die Dunkle Materie? Eines der großen Rätsel der modernen Astrophysik ist: Es muß bedeutend mehr Materie im All geben, als man in Form von Gaswolken und Sternen leuchten sieht. Vielleicht sind „Braune Zwerge“ die Lösung: Materieklumpen, die zu klein geraten sind, um zu strahlenden Sternen zu werden.

Es muß im All irgendein „Etwas“ geben, und zwar in großen Mengen, damit das Weltbild der Astronomen nicht aus den Fugen gerät. Sehen jedenfalls können wir dieses Etwas nicht, und doch muß es dasein, weil es seine Nachbarn gravitativ anzieht: Die Galaxien kreisen so schnell, daß sie längst auseinandergeflogen wären, gäbe es in ihnen nur die dort sichtbaren, leuchtenden Massen, um sie zusammenzuhalten. Zehn- bis vielleicht hundertmal mehr Materie als die sichtbare hält sich möglicherweise im All versteckt. „Wir tappen noch völlig im dunkeln, was diese Dunkle Materie ist“, wortspielte Bohdan Paczynski, Astronom an der Princeton-Universität.

Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten: eine Materie der „anderen Art“ – bisher ein reines Hirngespinst, das lediglich die Forderung zu erfüllen hat, Gravitation auszuüben – oder Brocken aus normaler Materie, die jedoch nicht leuchten und deshalb unsichtbar sind.

Zur ersten Variante gehören exotische Elementarteilchen, die sehr schnell sind, von denen wir jedoch nichts wissen – wie Sendboten aus einer anderen Welt. Sie sollen überall sein, ohne daß wir sie sehen können. Sie sollen keinerlei sonstige Wechselwirkungen mit unserer Welt haben – nur massiv sollen sie sein, sonst nichts. Das hat ihnen auch den Namen gegeben: „Wimps“, eine Abkürzung für „Weakly Interacting Massive Particles“. Auch Neutrinos wurden als Kandidaten vorgeschlagen – falls sie überhaupt Masse haben, was noch nicht geklärt ist.

Im Gegensatz dazu soll die zweite Variante aus Körpern bestehen, die sich problemlos in unsere materielle Welt einfügen: kleine oder große kalte Brokken, Braune oder Rote Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher.

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Alles, was den Astronomen zur Erkundung des Weltalls zur Verfügung steht, sind elektromagnetische Strahlen aller Art, vor allem sichtbares Licht. Ersetzt man in Gedanken den Weltraum durch ein Wohnzimmer, so könnte ein Astronom bei der Beobachtung der Objekte darin zu folgendem Ergebnis kommen: Die Zimmerlampe und die Kerzenflamme sind die massereichsten Objekte, denn sie sind die hellsten. Weniger schwer wären die lichtreflektierenden: die Stühle, der Tisch, der Blumenstrauß. Der „leere“ Raum im Zimmer hätte demnach gar keine Masse, denn dort sieht man nichts. Doch wenn ein Papierflugzeug durchs Zimmer fliegt, schließt der Astronom, daß es hier etwas Unsichtbares geben muß, das das Flugzeug trägt. Was die Luft im Zimmer, ist im Weltall die unsichtbare, also „dunkle“ Materie, nur erkennbar an ihrer Wirkung auf sichtbare Massen.

Solche dunklen Objekte zerren mit ihrer Schwerkraft an benachbarten Massen. Diese Nachbarn dürfen allerdings selbst nicht unsichtbar sein, und strahlende Sonnen sind gewöhnlich so groß, daß sie sich von einem Winzling neben ihnen kaum aus der Ruhe bringen lassen. Trotzdem ist es in den letzten zwei Jahren gelungen, auf diese Weise dunkle Körper zu entdecken: Planeten bei fremden Sternen. Aus einem winzigen Wackeln der Sterne schlossen die Astronomen, daß die Ursache dafür ein umlaufender unsichtbarer Körper sein muß – oder gleich mehrere.

Doch Albert Einstein zeigte bereits 1916 einen weiteren Weg auf, den dunklen Körpern auf die Spur zu kommen: Schwerkraft wirkt nicht nur auf Massen, sondern auch auf Licht.

Den ersten Beweis dafür lieferte die totale Sonnenfinsternis von 1919, als die Sterne direkt neben der Sonne etwas von ihrem angestammten Platz verschoben schienen: Die Sonnenmasse hatte die Lichtstrahlen der Sterne verbogen.

Die nächsten eindrucksvollen Beweise waren die Lichtphänomene, die man auf Aufnahmen aus den Tiefen des Alls fand. Das „Einstein-Kreuz“ etwa ist ein Muster aus vier blauen Punkten, die das Abbild eines einzigen Quasars sind. Daß er nicht als einfacher Punkt erscheint, liegt an einer Galaxie im Vordergrund, einer sogenannten Gravitationslinse, die das Licht ungleichmäßig ablenkt und bündelt, so daß zufällig ein Vierfachbild entsteht. Auch ganze Galaxienhaufen können als Gravitationslinse wirken. Dabei entstehen statt einzelner Punkte bogenförmige Bilder: Einstein-Bögen.

Den jüngsten Nachweis für die Einsteinsche Lichtablenkung lieferten die „Machos“, eine Abkürzung für „Massive Compacte Halo Objects“. Diese Dunkelmänner, die sich vorwiegend in der Nachbarschaft der Milchstraße herumtreiben, sind Himmelskörper mit ganz normalen Eigenschaften – nur eines können sie nicht: leuchten.

Die Idee ist schon über zehn Jahre alt. Sie stammt von Bohdan Paczynski in Princeton, der damals den Vorschlag machte, die Sterne der Großen Magellanschen Wolke längere Zeit im Visier zu behalten und auf ein plötzliches Hellerwerden einzelner Sterne zu achten: Wenn sich vor einen fernen Stern ein kompakter, nicht leuchtender Materieklumpen schiebt, könnte er wie eine Sammellinse wirken – das Licht des Sterns wird gebündelt, er leuchtet heller.

Das ist derselbe Effekt wie bei den Gravitationslinsen – nur: Bei den Machos ist alles viel kleiner, sie selbst und auch das ferne Objekt, dessen Licht sie ablenken. Deswegen nennt man den Effekt bei ihnen „Mikrogravitationslinsen“. Daß man statt der Vielfach-Bilder der fernen Gravitationslinsen nur einen Helligkeitsanstieg des Sternpünktchens sieht, liegt an der Kleinheit der Vorgänge: Die Doppel- und Mehrfachbilder stehen so eng beieinander, daß sie auch in großen Teleskopen als einheitlicher und deshalb hellerer Punkt erscheinen. Machos gibt es in vielerlei Gestalt:

kleinere Brocken, die zum Beispiel in Form der Asteroiden zu Zigtausenden die Sonne umkreisen, planetengroße Körper, klein wie die Erde oder groß wie der Jupiter, Braune Zwerge – Himmelskörper, die für einen strahlenden Stern zu wenig Masse haben, ausgekühlte Weiße Zwerge – ein Stadium, das auch die Sonne einmal erreichen wird, und Neutronensterne oder Schwarze Löcher – zwei Zustände, die von Sternenriesen nach ihrem Tode übrigbleiben.

Alle diese Finsterlinge könnten als Gravitationslinse wirken und einen fernen Stern, vor den sie sich schieben, heller erscheinen lassen. Wie lange dieses Ereignis dauert, ist zugleich ein Indiz dafür, um welchen Kandidaten der Liste es sich handelt: Ein kleiner Asteroid schafft es nur für etwa eine Sekunde, einen fernen Stern aufleuchten zu lassen, die Erde dagegen würde das Sternenlicht etwa eine Stunde lang bündeln, der Saturn einen Tag, ein Brauner Zwerg zwei Wochen, ein Weißer Zwerg zwei Monate, ein Neutronenstern drei Monate, ein Schwarzes Loch fast ein Jahr.

Diese unterschiedliche Dauer der himmlischen Schauspiele spiegelt weniger den Durchmesser der Objekte wider als vielmehr ihre verschieden stark ablenkende Wirkung auf die vorbeistreifenden Lichtstrahlen – also ihre Masse.

Auf einen Nachteil dieser Methode, Körper im All zu entdecken, hatte schon Paczynski hingewiesen: Die Ereignisse finden äußerst selten statt. Denn daß – von uns aus gesehen – vor einem punktförmigen Sternchen exakt ein dunkler Punkt vorbeizieht, ist zumindest sehr unwahrscheinlich – und auch nicht voraussagbar, denn den dunklen Punkt sieht man ja vorher nicht.

Außerdem gibt es noch eine verführerische Fehlerquelle: Viele Sterne zeigen auch ohne dunkle Geisterkörper Schwankungen in ihrer Helligkeit. Auf den ersten Blick könnten sie also ein Macho-Ereignis vortäuschen. Es gibt allerdings ein verläßliches Unterscheidungsmerkmal: Bei den „Veränderlichen“ ändert sich auch das Spektrum ihres Lichts, wenn sie aufleuchten, während bei einer Verstärkung durch ein vorbeiziehendes Macho das Spektrum natürlich unverändert bleibt.

Die Entdeckung von Machos könnte man als zwar recht interessant, doch eigentlich belanglos beiseite legen – wenn es nicht den Verdacht gäbe, daß sie massenhaft auftreten und deshalb mit ihrer Gesamtmasse in das Schicksal der Welt eingreifen.

Aus Beobachtungen, wie sich die Sterne und unsere beiden Nachbar- Galaxien – die Magellanschen Wolken – bewegen, haben die Astronomen geschlossen, daß die leuchtende Scheibe der Milchstraße nicht isoliert im Raum schwebt, sondern in einen riesigen Massen-Halo eingebettet ist – viel größer als die Milchstraße selbst. Wenn man von ihm auch nichts sieht, so muß er trotzdem da sein – denn nur mit der Annahme, daß hier eine große anziehende Masse existiert, läßt sich die Dynamik der Milchstraße plausibel erklären.

Viele Forscher halten es für wahrscheinlich, daß mindestens ein Viertel der gesuchten dunklen Materie im Halo der Milchstraße aus Braunen Zwergen besteht, deren Masse jeweils zwischen etwa einem und acht Prozent der Sonnenmasse liegt. Genau wie die Sterne sollen sie aus einer kollabierenden Gas- und Staubwolke entstanden sein (siehe „Ein Stern kommt selten allein“, bild der wissenschaft 1/1997).

Normalerweise bildet sich dabei im Zentrum ein Stern (oder sogar mehrere), dessen Inneres unter dem wachsenden Druck so heiß wird, daß schließlich eine Kernfusion zündet: Wasserstoff wird zu Helium verschmolzen, wobei ungeheuer viel Energie frei wird, die den Stern leuchten läßt. Um die Zündtemperatur von rund fünf Millionen Grad zu erreichen, ist jedoch eine Mindestmasse erforderlich. Steht zu wenig Materie als Ausgangsmaterial zur Verfügung, wird der zusammengepreßte Gasball zwar sehr heiß – aber eben nicht heiß genug. An seiner Oberfläche erreicht er weniger als 2000 Grad und ist nur im Infraroten sichtbar, was dieser Klasse von Himmelskörpern den Namen „Braune Zwerge“ eingebracht hat.

Zu Beginn der neunziger Jahre machten sich vier Forscherteams auf die Suche nach diesen plötzlich aufleuchtenden Sternen, eine aus Amerikanern, Australiern und Engländern zusammengesetzte Gruppe, eine polnische und zwei französische. Die Arbeit erfordert viel Geduld – und computergestütztes Suchen und Auswerten. Immerhin mußten bis zu 20 Millionen Sterne pro Nacht untersucht werden, zum Beispiel in der Großen Magellanschen Wolke, einem etwa 170000 Lichtjahre entfernten Nebelfleck am südlichen Himmel.

Im Herbst 1993 wurden die Forscher fündig – fast alle gleichzeitig. Doch die Ergebnisse blieben zweifelhaft, da die spektrale Identifizierung schwierig oder gar unmöglich war.

Wertet man die endlosen Meßaufzeichnungen erst nachträglich aus, bleibt vielleicht manches „Ereignis“ ungeklärt. Deswegen sollte automatisch Alarm geschlagen werden, wenn ein Kandidat sich durch unvorhergesehenes Aufleuchten verdächtig macht. Dann sollten sofort andere Astronomen an großen Teleskopen benachrichtigt werden, damit sie das Spektrum aufnehmen und entscheiden können, ob es trotz Helligkeitsänderungen dasselbe bleibt, ob hier also ein echtes Macho-Ereignis vorliegt.

Bisher ist ein solcher automatischer Alarm nicht möglich. Die Untersuchungen der Spektren sind aber dennoch wertvoll, denn sie können zum Beispiel „Novae“ ausschließen, die zwar auch unberechenbar heller werden, aber ein typisches Spektrum haben.

Zum erstenmal Alarm gegeben wurde im Herbst 1993, als einer der Suchtrupps – die internationale Gruppe unter Leitung von Charles Alcock, die sich selbst Macho-Gruppe nennt – bei einem von zwei Millionen untersuchten Sternen der Großen Magellanschen Wolke die gesuchte Helligkeitsverstärkung entdeckte. Als die Nachricht die Astronomen der ESO auf dem chilenischen Berg La Silla erreichte, nahmen sie sofort das Spektrum des Sterns am 3,5-Meter-Teleskop unter die Lupe: Es hatte keine Ähnlichkeit mit dem der bekannten Veränderlichen oder Novae. Das Ereignis war also „echt“.

1995 gab es weitere Erfolgsmeldungen: Die himmlischen Kandidaten zeigten jeweils ein symmetrisches Ansteigen und wieder Abfallen der Helligkeit um rund zwei Größenklassen – ein Vorgang, der ungefähr zwei Monate dauerte. Die Form der Lichtkurve entsprach genau dem Verlauf, den theoretische Überlegungen für den Fall vorausgesagt hatten, daß sich ein dunkler Punkt als Sammellinse vor einen Stern schiebt.

Allein von der Macho-Gruppe wurden in den letzten zwei Jahren acht „Ereignisse“ gefunden, die mit Sicherheit Gravitationslinsen-Effekte waren – die Ausbeute von rund neun Milliarden registrierten Lichtkurven von Sternen in der Großen Magellanschen Wolke.

Immer häufiger werden heute Machos aufgespürt – auch ohne Gravitationslinsen-Effekt, denn die Meßgeräte für schwaches Leuchten im All werden immer empfindlicher. Vielleicht stellt sich eines Tages heraus, daß es ungeahnt viele von ihnen gibt. Dann wäre zumindest ein Teil des Problems „Wo versteckt sich die dunkle Materie?“ gelöst.

Wolfram Knapp

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Zer|streu|ungs|lin|se  〈f. 19; Opt.〉 Linse, die einfallende Lichtstrahlen zerstreut; Sy Konkavlinse; ... mehr

CPU  〈IT; Abk. für engl.〉 Central Processing Unit (zentrale Verarbeitungseinheit), wichtiger Bestandteil der Zentraleinheit

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