Was die Welt im Innersten zusammenhält

24. August 2010, 18:46
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Ob Dunkle Materie oder Antimaterie im Universum: Über die Existenz beider gibt es bis heute vor allem Theorien

Nachweise sind bisher kaum gelungen. Das könnte sich durch ein im Februar 2011 startendes Großexperiment im All ändern.

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Galaxien haben es ziemlich eilig. Mit gut 200 bis 300 Kilometern pro Sekunde drehen sie sich um die eigene Achse und rasen aufeinander zu. Eine Spiralgalaxie mit etwa 300 Milliarden Sternen müsste daher aufgrund der entstehenden Fliehkräfte eigentlich auseinanderfallen, so wie ein zu schnell fahrendes Auto in einer Kurve von der Straße fliegt. Sie bleibt aber so bestehen, wie sie ist. Eigentlich ein Rätsel, zumal die Schwerkraft der zahlreichen Sterne in der Galaxie keinesfalls ausreicht, um sie zusammenzuhalten.

Vor etwa achtzig Jahren begannen Wissenschafter, von Dunkler Materie zu reden: Es muss da noch etwas nicht Sichtbares geben, eine kein Licht aussendende Materie, die mit ihrer Schwerkraft auf die Galaxie etwa so wirkt wie die Haftreibung der Autoreifen in der Kurve. Dieses Etwas macht mindestens 70 Prozent des Universums aus.

Eine plausible Theorie. Freilich kennt man bis heute nicht die Bestandteile. "Ein untragbarer Zustand. Kein Naturwissenschafter hat ein experimentell verifiziertes Modell des Kosmos", sagt Robert Schöfbeck vom Institut für Hochenergiephysik (Hephy) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Er zitiert in seinem Zorn über das Unwissen sogar Goethes Faust. "Was die Welt im Innersten zusammenhält", wisse man bis heute nicht. Im Gegensatz zum Gelehrten, der am Erkenntniswert der Wissenschaft zweifelt und einen Pakt mit dem Teufel eingeht, sucht die Physik in der Gegenwart aber mit Hochtechnologie nach Antworten, zum Beispiel mit einem Teilchendetektor, der am 26. Februar 2011 auf die Internationale Raumstation ISS, also in eine Bahnhöhe von 350 Kilometern über der Erde, gebracht werden soll. Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02, siehe Wissen). Etwa 500 Forscher aus 16 Ländern haben am Alpha Magnetic Spectrometer mehrere Jahre gearbeitet. Mit dabei waren großteils Institute aus Italien, Frankreich, Deutschland, Portugal, Spanien und der Schweiz. Einen kleinen österreichischen Beitrag zum 1,1 Milliarden teuren Detektor, dessen Bestandteile am Europäischen Kernforschungszentrum Cern in Genf zusammengebaut wurden, gibt es auch: Die RUAG Aerospace hat die Thermalisolation hergestellt.

Kernstück des bisher größten Experiments auf der ISS wird ein Magnet sein, der die kosmische Strahlung auffängt. Sie gelangt in ungefährlichen Mengen auch auf die Erde. Da sie hier aber mit Teilchen der Atmosphäre zusammenprallt, kann sie besser im Weltall analysiert werden.

Die Wissenschafter glauben, mithilfe der aufgefangenen Strahlung Schlüsse ziehen zu können und das besonders schwere Neutralino zu finden - was ein Durchbruch wäre. Dieses supersymmetrische Partnerteilchen steht im Verdacht, ein Bestandteil der Dunklen Materie zu sein. Dann wüsste man zumindest, was die Galaxien zusammenhält.

Der österreichische Teilchenphysiker Schöfbeck geht am in einem Tunnel liegenden Large Hadron Collider (LHC) am Cern andere Wege, um zum gleichen Ziel zu gelangen. Als Mitarbeiter beim Experiment CMS (Compact Muon Solenoid) sucht er zunächst einmal nach "neuer Physik" - und hofft, dass durch die Teilchenkollisionen auch das Neutralino hergestellt wird.

Nachweis erbracht

Dass es die Dunkle Materie gibt, muss man nicht mehr nachweisen. Vor etwa zwei Jahren konnten Astrophysiker durch Aufnahmen zweier großer Galaxienhaufen, die im Laufe von mehreren Millionen Jahren kollidieren, zeigen, wie sich das geheimnisvolle Schwarz von der Materie trennt. Die Bilder wurden vom Satelliten Hubble und vom Chandra-Weltraumteleskop geliefert.

Die Astrophysikerin Sabine Schindler von der Universität Innsbruck ist optimistisch, dass im Rahmen beider Großexperimente, AMS-02 im Weltall und LHC unter der Erde, die Bestandteile der Dunklen Materie gefunden werden. "Dank der letzten Technologiesprünge bei der Detektoren- und Beschleunigerentwicklung wird das in einigen Jahren wohl möglich sein", sagt sie. Es handle sich schließlich um eines der "großen Rätsel des Universums", das die Wissenschaft "natürlich lösen" will.

Am von ihr geleiteten Institut für Astro- und Teilchenphysik misst man mithilfe des Gravitationslinseneffekts, wie viel Dunkle Materie es in den Galaxienhaufen gibt.

Auch ein zweites "großes Rätsel" interessiert die Forscher, die den AMS-02-Teilchendetektor entwickelt haben: Es bezieht sich auf ein wichtiges Detail der Urknalltheorie: die Antimaterie. Wissenschafter sagen, am Anfang hätte es eigentlich, da sich Energie in Masse umgewandelt hat, gleich viel von beiden geben müssen: von der Materie und von der Antimaterie.

Dem war aber offenkundig nicht so, "ansonsten hätten sich Materie und Antimaterie gegenseitig zerstrahlt, und alles wäre zu Licht geworden, und es würde keine Erde geben", sagt Schindler. Es war demnach ein Ungleichgewicht zugunsten der Materie gegeben. Wissenschafter wissen bis heute keine Antworten auf die Fragen: Wie war das Verhältnis von Materie und Antimaterie? Warum gab es ein Ungleichgewicht? Die Theorie sagt, dass der Überschuss minimal gewesen sein muss, dass es sich mit der Erde, der Menschheit und allem, was Leben ausmacht, also haarscharf ausgegangen ist.

Mit dem Teilchendetektor im All will man nun zum Beispiel ein Anti-Helium finden. Gelingt der Nachweis von nur einem dieser Partikel, müsste man daraus schließen, dass Antimaterie existiert. Man wäre damit auch der Frage, wie die Welt entstanden ist, einen Schritt näher. (Peter Illetschko/DER STANDARD, Printausgabe, 25.08.2010)

=> Wissen: Teilchensuche im Weltall


Wissen: Teilchensuche im Weltall

Heute, Mittwoch, wird das große Lastenflugzeug der Airforce C-5M Super Galaxy in Genf landen, um den 8500 Kilogramm schweren Teilchendetektor AMS-02 vom Europäischen Kernforschungszentrum Cern abzuholen und zum Kennedy Space Center zu bringen. Dort wird die Fracht im Februar 2011 mit einem Spaceshuttle-Flug zur Internationalen Raumstation ISS gebracht.

Die Teilchenjagd im All begann schon im vergangenen Jahrhundert: Mit dem Prototyp AMS, der 1998 zehn Tage im All war, konnte bereits kosmische Strahlung gemessen werden - der Nachweis von Antimaterie oder von den Bestandteilen der Dunklen Materie gelang allerdings noch nicht. Mit AMS-02 wollte man eigentlich schon früher starten. Doch die Katastrophe des Spaceshuttles im Jänner 2003, als das Raumschiff bei seinem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zerbrach und alle Besatzungsmitglieder starben, führte zu einem Stopp der Missionen und zu Verzögerungen. Zuletzt wurde die Betriebszeit der Internationalen Raumstation verlängert - bis 2020. Daraufhin wurde der Teilchendetektor, der eigentlich für drei Jahre Forschungsarbeit entwickelt wurde, umgebaut. Jetzt könnten die Forscher bis zu 18 Jahre über den AMS-02 Daten sammeln. (pi/DER STANDARD, Printausgabe, 25.08.2010)

  • Astronomen konnten 2008 bei einem Crash zweier Galaxien die Dunkle Materie nachweisen - und zeigten, wie sie sich (blau) von der Materie trennt.
    foto: nasa

    Astronomen konnten 2008 bei einem Crash zweier Galaxien die Dunkle Materie nachweisen - und zeigten, wie sie sich (blau) von der Materie trennt.

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