Patricia Burchat beleuchtet dunkle Materie

Als eine Partikelphysikern untersuche ich die elementaren Partikel und wie sie auf grundlegendster Ebene miteinander interagieren. Für den größten Teil meiner Forscherlaufbahn habe ich Teilchenbeschleuniger verwendet -- wie zum Beispiel den Elektronenbeschleuniger in der Universität von Standford gleich die Straße hinauf -- um Dinge der niedrigsten Größenordnung zu untersuchen. Aber seit kurzem widme ich meine Aufmerksamkeit dem Universum auf höchster Größenordnung. Denn eigentlich, wie ich Ihnen erklären werde, sind die Fragen der niedrigsten und höchsten Größenordnung sehr miteinander verbunden. Ich werde Ihnen im Folgenden von unserem Modell des Universums im 21. Jahrhundert berichten, woraus es besteht und was die großen Fragen in den Wissenschaften der Naturgesetze sind -- oder zumindest ein paar der großen Fragen.

Vor kurzem haben wir bemerkt, dass die gewöhnliche Materie im Universum -- und mit "gewöhnliche Materie" meine ich Sie -- mich, die Planeten, die Sterne, die Galaxien -- gewöhnliche Materie macht bloß ein paar Prozent des Inhalts des Universums aus. Fast ein Viertel -- oder schätzungsweise ein Viertel der Materie des Universums ist irgendein unsichtbares Zeug. Mit "unsichtbar" meine ich, dass es im elektromagnetische Spektrum nichts absorbiert. Es strahlt im elektromagnetischen Spektrum nichts aus. Es reflektiert nichts. Es interagiert nicht mit dem elektromagnetischem Spektrum, das wir eigentlich benutzen, um die Dinge zu entdecken. Es interagiert mit nichts und niemandem. Wie wissen wir dann, dass es da ist? Wir wissen es aufgrund seines Einflusses auf die Gravitation. Und zwar dominiert diese dunkle Materie die Wirkung der Gravitation im Universum auf einer hohen Größenordnung, und ich werde Ihnen von den Beweisen dafür berichten.

Und der Rest des Diagramms? Der Rest des Diagramms ist eine sehr mysteriöse Substanz namens "dunkle Energie". Mehr darüber später. Lassen Sie uns für den Moment die Beweise für die dunkle Materie betrachten. In den Galaxien, insbesondere in Spiralgalaxien wie dieser, ist der Großteil der Masse der Sterne in der Mitte der Galaxie konzentriert. Die enorme Masse all dieser Sterne hält Sterne innerhalb der Galaxie in zyklischen Orbits. All die Sterne befinden sich also in zyklischen Orbits -- etwas so. Wie Sie sich vorstellen können -- selbst wenn sie keine Physik können -- das sollte intuitiv sein -- dass Sterne, die näher an der Masse im Mittelpunkt sind, schneller rotieren als die, die weiter hier draußen sind.

Sie würden also erwarten, dass wenn sie die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne mäßen, sie am Rand langsamer als innen sein sollten. Anders ausgedrückt: Wenn wir Geschwindigkeit als eine Funktion von Distanz messen würden -- das ist das einzige Mal, dass ich einen Graph zeige -- würden wir erwarten, dass sie nachlässt, wenn die Entfernung vom Zentrum der Galaxie zunimmt. Wenn diese Messungen vorgenommen werden, stellen wir stattdessen fest, dass die Geschwindigkeit als eine Funktion der Distanz mehr oder weniger konstant ist. Wenn sie konstant ist, bedeutet dass, dass die Sterne hier draußen Schwerkraft ausgesetzt sind, die von Materie generiert wird, die wir nicht sehen können. Tatsächlich scheint diese sowie jede andere Galaxie in einer Wolke der unsichtbaren dunklen Materie eingeschlossen zu sein. Und diese Wolke der Materie ist sehr viel sphärischer als die Galaxie selbst, und sie erstreckt sich über einen viel größeren Bereich als die Galaxie. Wir sehen nun die Galaxie und fixieren uns darauf, aber eigentlich ist es eine Wolke aus dunkler Materie, die die Struktur und die Dynamik dieser Galaxie dominiert.

Galaxien selber sind nicht zufällig im Universum verstreut; sie tendieren dazu, in Clustern aufzutreten. Und das hier ist ein Beispiel eines wirklich sehr bekannten Clusters: der Coma Cluster. Und es gibt tausende von Galaxien in diesem Cluster. Das sind die weißen, verschwommenen, elliptischen Dinger hier. Also, die Galaxien-Cluster -- ob wir jetzt eine Momentaufnahme machen, ob wir in zehn Jahren eine Momentaufnahme machen -- er wird genauso aussehen. Aber Galaxien bewegen sich eigentlich mit sehr hohen Geschwindigkeiten. Sie bewegen sich innerhalb des Gravitations-Potenzials des Clusters. Alle Galaxien bewegen sich also. Wir können die Geschwindigkeiten der Galaxien messen -- ihre Umlaufgeschwindigkeiten -- und herausfinden, wie viel Masse sich in einem Cluster befindet.

Und abermals stellen wir fest, dass es da draußen sehr viel mehr Masse gibt, als durch die Galaxien, die wir sehen können, erklärt werden kann. Oder wenn wir in andere Bereichen des elektromagnetischen Spektrums schauen, dann sehen wir, dass es außerdem sehr viel Gas in diesem Cluster gibt. Aber das erklärt das Vorhandensein der ganzen Masse auch nicht. In der Tat scheint es hier ungefähr zehn mal so viel Masse zu geben, in Form der unsichtbaren oder dunklen Materie, als es gewöhnliche Materie gibt. Es wäre schön, wenn wir die dunkle Materie etwas direkter beobachten könnten. Ich setze mal diesen dicken, blauen Fleck dahin, um zu versuchen, Sie daran zu erinnern, dass sie da ist. Können wir sie auf visuellere Weise beobachten? Ja, können wir.

Lassen sie mich Ihnen erklären, wie wir das tun können. Also, das hier ist ein Beobachter: Es könnte ein Auge sein; es könnte ein Teleskop sein. Und stellen Sie sich vor, es gibt eine Galaxie hier draußen im Universum. Auf welche Weise sehen wir diese Galaxie? Ein Lichtstrahl verlässt die Galaxie und durchreist das Universum, eventuell für Milliarden von Jahren, bevor er an das Teleskop oder Ihr Auge gelangt. Wie leiten wir nun ab, wo sich die Galaxie befindet? Wir leiten es aufgrund der Richtung ab, aus der der Lichtstrahl kommt, wenn er an unsere Auge gelangt, nicht wahr? Wir sagen: "Der Lichtstrahl ist aus der und der Richtung gekommen; die Galaxie muss da drüben sein." Jetzt stellen Sie sich vor, ich würde einen Galaxien-Cluster in die Mitte setzen -- und vergessen Sie die dunkle Materie nicht. Wenn wir uns nun einen anderen Lichtstrahl vorstellen -- einer, der so wie der hier verläuft -- dann müssen wir jetzt beachten, was Einstein prognostiziert hat, als er die allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hat. Und zwar, dass das Gravitationsfeld -- aufgrund der Masse -- nicht nur die Flugbahn von Partikeln, sondern das Licht an sich umleiten wird.

Daher verläuft dieser Lichtstrahl nicht in einer geraden Linie, sondern würde sich eher krümmen und könnte letztlich zu unserem Auge gelangen. Wo sieht der Beobachter die Galaxie? Sie können antworten. Oben, genau. Wir leiten rückwirkend ab und sagen: "Die Galaxie ist hier oben." Gibt es irgendeinen anderen Lichtstrahl, der das Auge des Beobachters von der Galaxie aus erreichen könnte? Ja, sehr gut. Ich kann Leute so nach unten zeigen sehen. Ein Lichtstrahl könnte also nach unten verlaufen, nach oben zum Auge des Beobachters verbogen werden -- und der Beobachter sieht den Lichtstrahl hier.

Und schenken Sie jetzt der Tatsache Beachtung, dass wir in einem dreidimensionalen Universum leben -- einem dreidimensionalen Raum. Gibt es irgendwelche anderen Lichtstrahlen, die an das Auge gelangen könnten? Ja! Die Lichtstrahlen würden sich auf einem -- ja, nur zu -- genau, einem Kegel befinden. Es befindet sich also ein ganzer Lichtstrahl -- Lichtstrahlen -- auf einem Kegel, die alle von dem Cluster verbogen werden und an das Auge des Beobachters gelangen. Wenn ein Licht-Kegel an mein Auge gelangt, was sehe ich dann? Einen Kreis, einen Ring. Das nennt sich "Einstein Ring" -- Einstein hat das prognostiziert. Dabei liegt nur dann ein perfekter Ring vor, wenn die Quelle, der Deflektor, -- und in diesem Fall das Auge -- sich alle in einer vollkommen geraden Linie befinden. Wenn sie auch nur ein bisschen verzogen sind, dann sehen wir ein anderes Bild.

Heute abend können sie über die Rezeption ein Experiment durchführen, um herauszufinden, wie das Bild aussieht. Es ist nämlich so, dass wir eine Art Linse entwerfen können, die die rechte Form hat, um diesen Effekt hervorzubringen. Wir nennen das "Gravitationslinseneffekt". Also, das hier ist Ihr Instrument. (Gelächter) Aber ignorieren Sie den oberen Teil. Ich möchte mich auf den unteren Teil konzentrieren. Immer wenn wir zu Hause ein Weinglas kaputt machen, hebe ich das Unterteil auf, bringe es rüber zur Werkstatt. Wir schleifen es, und ich habe eine kleine Gravitationslinse. Es hat also die rechte Form, um den Linseneffekt hervorzubringen. Und das nächste, was Sie für Ihr Experiment tun müssen, ist eine Serviette zu besorgen. Ich habe ein Stück Millimeterpapier genommen; ich bin Physikerin. (Gelächter) Also, eine Serviette. Zeichnen Sie in der Mitte eine kleine Modell-Galaxie. Und legen Sie nun die Linse über die Galaxie, und Sie werden feststellen, dass Sie einen Ring sehen können -- einen Einstein Ring. Ziehen Sie das Unterteil jetzt zur Seite, und der Ring teilt sich in Bögen. Und Sie können es auf jedes erdenkliche Bild legen. Auf dem Millimeterpapier können Sie erkennen, dass all die Linien auf dem Millimeterpapier verzerrt sind. Nochmals: Dies ist eine Art wahrheitsgetreues Modell von dem, was während des Gravitationslinseneffekts vor sich geht.

Die Frage lautet nun: Können wir das am Himmel sehen? Sehen wir die Bögen am Himmel, wenn wir -- zum Beispiel -- einen Galaxien-Cluster betrachten? Und die Antwort lautet: ja. Und hier haben Sie ein Bild vom Hubble-Weltraumteleskop. Viele der Bilder, die Sie hier sehen, stammen ursprünglich vom Hubble-Weltraumteleskop. Zuerst die goldenen Galaxien -- das sind die Galaxien innerhalb des Clusters. Das sind die, die in dem Meer aus dunkler Materie eingeschlossen sind, was die Krümmung des Lichts und dadurch die optischen Illusionen -- oder eigentlich Trugbilder -- der Galaxien im Hintergrund hervorruft. Die Streifen, die Sie sehen können -- all diese Streifen sind im Grunde verzerrte Bilder von Galaxien, die sehr viel weiter weg sind.

Wir können nun, ausgehend vom Grad der Verzerrung, den wir in den Bildern ausmachen können, berechnen, wie viel Masse in dem Cluster vorhanden sein muss. Und es handelt sich um eine enorme Menge an Masse. Desweiteren können Sie mit bloßem Auge erkennen -- wenn sie sich das hier anschauen -- dass die Bögen sich nicht auf individuelle Galaxien zentrieren; sie zentrieren sich auf eine ausgedehntere Struktur. Und das ist die dunkle Materie, in der der Cluster eingeschlossen ist. Das hier ist der beste optische Eindruck -- zumindest des Einflusses der dunklen Materie, die sie mit bloßem Auge sehen können.

Also, eine schnelle Zusammenfassung, um zu schauen, dass sie mir folgen: Die Beweise, die wir dafür haben, dass ein Viertel des Universums aus dunkler Materie besteht -- dieses schwerkraft-erzeugende Zeug -- bestehen darin, dass die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen, die Galaxien umkreisen, viel zu hoch ist; sie müssen in dunkler Materie eingeschlossen sein. Die Umlaufgeschwindigkeiten von Galaxien innerhalb von Clustern ist viel zu hoch; sie müssen in dunkler Materie eingeschlossen sein. Und wir können den Gravitationslinseneffekt beobachten -- die Verzerrungen, die abermals darauf deuten, dass die Cluster in dunkler Materie eingeschlossen sind.

Okay. Schauen wir uns jetzt dunkle Energie an. Um die Beweislage für die dunkle Energie zu verstehen, müssen wir etwas erörtern, auf das Stephen Hawking in der vorausgegangenen Sitzung hingewiesen hat. Nämlich die Tatsache, dass der Raum selbst sich ausdehnt. Wenn wir uns nun einen Abschnitt unseres unendlichen Universums vorstellen -- und dafür ich habe hier vier Spiralgalaxien hingesetzt. Und stellen Sie sich vor, dass Sie einige Maßbänder darüber legen, so dass jede Linie einem Maßband entspricht -- horizontal oder vertikal -- um zu ermitteln, wo sich was befindet. Wenn sie das tun könnten, würden sie feststellen, das mit jedem vergangenen Tag, jedem vergangenen Jahr, jeden vergangenen Milliarden von Jahren die Entfernung zwischen den Galaxien größer wird. Und das ist nicht so, weil die Galaxien sich durch den Weltraum voneinander weg bewegen; sie bewegen sich nicht zwangsläufig durch den Weltraum. Sie bewegen sich voneinander weg, weil der Raum an sich größer wird. Das ist die wahre Bedeutung der Expansion des Universums. Also, Sie bewegen sich auseinander.

Stephen Hawking hat nun außerdem noch erwähnt, dass sich der Weltraum nach dem Urknall sehr schnell ausgedehnt hat. Da aber schwerkraft-erzeugende Materie im Weltraum eingeschlossen ist, tendiert sie dazu, die Expansion des Raums abzuschwächen. Die Expansion wird mit der Zeit abgeschwächt. Nun haben die Leute während des letzten Jahrhunderts darüber gestritten, ob die Expansion des Raums für immer weiter gehen würde, ob sie nachlassen würde -- das heißt, ob sie nachlässt, aber für immer weiter geht. Ob sie nachlässt und aufhört -- mehr oder weniger aufhört -- oder nachlässt, aufhört und dann zurückgeht, er sich also wieder zusammenzieht. Vor ein wenig über zehn Jahren haben zwei Gruppen von Physikern und Astronomen sich daran gemacht, die Geschwindigkeit zu messen, mit der die Expansion des Raums nachlässt. Wie viel weniger schnell er sich heute ausdehnt, verglichen mit -- zum Beispiel -- vor einigen Milliarden Jahren.

Die erstaunliche Antwort auf diese Frage -- infolge der Experimente -- war, dass der Raum sich heute schneller ausdehnt als vor ein paar Milliarden Jahren. Die Expansion des Raums beschleunigt sich also. Das war ein total überraschendes Ergebnis. Es gibt kein überzeugendes theoretisches Argument, warum das passieren sollte. Keiner hat je prognostiziert, dass das herausgefunden würde. Es war das Gegenteil von dem, was erwartet wurde. Wir brauchen daher etwas, um das erklären zu können. Und es hat sich nun herausgestellt, dass man den Sachverhalt in der Mathematik als einen Term beschreiben kann, der einer Energie-Variable entspricht. Aber es ist eine ganz andere Art von Energie als alles, was wir jemals gesehen haben. Wir nennen sie "dunkle Energie", und sie hat die Wirkung, den Raum expandieren zu lassen. Wir haben im Moment allerdings keine gute Begründung, das mathematisch zu beschreiben. Uns fehlt jegliche Erklärung, warum wir das mathematisch erfassen sollen.

Und an dieser Stelle möchte ich Ihnen gegenüber besonders betonen, dass -- ganz grundsätzlich -- dunkle Materie und dunkle Energie zwei gänzlich verschiedene Dinge sind. Es gibt da draußen zwei große Rätsel darüber, woraus der größte Teil des Universums besteht, und sie haben sehr unterschiedliche Auswirkungen. Dunkle Materie, da schwerkraft-erzeugend, tendiert dazu, die Entwicklung von Strukturen zu begünstigen. Galaxien-Cluster tendieren daher dazu, sich infolge der ganzen Anziehungskraft zu bilden. Dunkle Energie erhöht demgegenüber den räumlichen Abstand zwischen den Galaxien, lässt sie -- die Anziehungskraft zwischen ihnen -- geringer werden und erschwert infolge dessen die Entwicklung von Strukturen. Indem wir uns Dinge wie Galaxien-Cluster anschauen -- ihre Teilchendichte, wie viele von ihnen es als Funktion der Zeit gibt -- können wir in Erfahrung bringen, auf welche Weise dunkle Materie und dunkle Energie miteinander im Wettstreit stehen, um Strukturen zu bilden.

Was dunkle Materie angeht, habe ich dargelegt, dass wir keine, naja -- wirklich überzeugenden Argumente für dunkle Energie haben. Haben wir welche für dunkle Materie? Die Antwort lautet: ja. Wir haben gut geeignete Anwärter auf die dunkle Materie. Und was meine ich mit "gut geeignet"? Ich meine damit, dass wir mathematisch widerspruchsfreie Theorien haben, die eigentlich eingeführt wurden, um ein ganz anderes Phänomen zu erklären -- Dinge, über die ich gar nicht gesprochen habe, die allesamt die Existenz eines neuen, nur wenig interagierenden Partikels prognostiziert haben.

Und das ist genau das, auf was Sie in der Physik warten: Eine Prognose, die auf eine mathematisch widerspruchsfreie Theorie zurückgeht, die eigentlich für etwas ganz anderes erdacht wurde. Wir wissen aber nicht, ob einer von den beiden wirklich ein Anwärter auf die dunkle Energie ist. Einer oder beide, wer weiß das schon? Es könnte auch etwas ganz anderes sein. Dabei fahnden wir nach den Partikeln der dunklen Materie, denn sie befinden sich schlussendlich ja in diesem Zimmer, und sie sind nicht durch die Tür hereingekommen. Sie bewegen sich durch alles mögliche. Sie können durch das Gebäude kommen, durch die Erde -- so wenig interagieren sie.

Eine Methode, nach ihnen zu fahnden, besteht darin, Detektoren zu bauen, die gegenüber Partikeln von dunkler Materie, die sich durch sie hindurch bewegen und gegen sie stoßen, extrem empfindlich sind. Etwa einen Kristall, der klingelt, wenn das passiert. Und einer meiner Kollegen gleich die Straße hinauf hat mit seinen Mitarbeiten einen solchen Detektor gebaut. Und sie haben ihn tief in einer Eisenmine in Minnesota platziert, tief unter der Erde. Und während der letzten paar Tage haben sie in der Tat die bisher auffälligsten Ergebnisse vermeldet. Sie haben direkt nichts beobachten können, aber die Masse und die Interaktions-Freudigkeit der Partikel in etwa bestimmen können. Später dieses Jahr findet ein Teleskop-Start statt. Und es wird auf die Mitte der Galaxie zentriert sein, um herauszufinden, ob wir beobachten können, wie die Partikel der dunklen Materie sich auflösen und Gamma Strahlen produzieren, die damit entdeckt werden könnten. Der Große Hadronen-Speicherring, ein Teilchenbeschleuniger, den wir später dieses Jahr einschalten werden. Es ist möglich, dass im Großen Hadronen-Speicherring Dunkle-Materie-Partikel entstehen könnten.

Weil sie nun so wenig interagieren, werden sie dem Detektor entgehen, und daher wird ihre Signatur fehlende Energie sein. Unglücklicherweise gibt es eine Menge neuer Entdeckungen in der Physik, deren Signatur fehlende Energie sein könnte, weshalb es schwer sein wird, sie voneinander zu unterscheiden. Und schließlich werden -- für zukünftige Vorhaben -- Teleskope entwickelt, um sich mit den spezifischen Fragen der dunklen Materie und dunklen Energie zu befassen: bodennahe Teleskope. Und es gibt drei Weltraum-Teleskope, die gerade miteinander im Wettstreit stehen, um gestartet zu werden und dunkle Materie und dunkle Energie zu untersuchen. Was also die großen Fragen angeht: "Was ist dunkle Materie?" "Was ist dunkle Energie?" Die großen Fragen in der Physik. Und ich bin sicher, dass sie viele Fragen haben. Ich freue mich darauf, sie über die nächsten 72 Stunden, während der ich hier bin, zu beantworten. Vielen Dank. (Applaus)