Juan García-Bellido (links)
ist Professor am Institut für
theoretische Physik der
Universität Madrid und
Mitglied des Dark Energy
Survey sowie der europäi-
schen Weltraummissionen
Euclid und LISA (Laser
Interferometer Space Antenna). Sébastien Clesse ist ein belgi-
scher Kosmologe; er forscht als Postdoc an der Rheinisch-Westfä-
lischen Technischen Hochschule Aachen und ist Mitglied der
Euclid-Mission sowie des Radioteleskops Square Kilometre Array.
In den Tiefen des Alls umkreisten sich vor mehr als
einer Milliarde Jahren zwei Schwarze Löcher auf
immer engeren Spiralbahnen und stürzten schließlich
ineinander. Der heftige Vorgang erschütterte das Gefüge
der Raumzeit und erzeugte Gravitationswellen, die sich mit
Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen ausbreiteten. Im
September 2015 erreichten die Schwingungen schließlich
unseren Planeten und machten sich in den Sensoren des
Gravitationswellenobservatoriums LIGO (Advanced Laser
Interferometer Gravitational Observatory) in den USA
durch ein charakteristisches Signal bemerkbar.
Dieser erste direkte Nachweis von Gravitationswellen
bestätigte Albert Einsteins 100 Jahre alte Vorhersage
solcher Raumzeitschwingungen – die Einstein allerdings
für niemals nachweisbar gehalten hatte. Dem Signal
zufolge muss jedes der beiden Schwarzen Löcher 30-mal
schwerer als die Sonne gewesen sein. Damit waren die
Massen zwei- bis dreimal größer als die von üblichen
Schwarzen Löchern, die aus Supernova-Explosionen
massereicher Sterne hervorgehen. Konnten derartige
Objekte überhaupt aus Sternen entstehen? Und selbst
wenn zwei besonders massereiche Sterne unabhängig
voneinander als solche Monstren endeten, wäre es –
zumindest im Verlauf der vermuteten Entwicklung des
Universums – unwahrscheinlich, dass sie anschließend
zueinanderfanden und verschmolzen. Darum liegt die
Annahme nahe, diese massereichen Schwarzen Löcher
könnten auf irgendeine andere Weise entstanden sein,
ganz ohne Vorläufersterne. Vielleicht hat LIGO also nicht
nur Gravitationswellen entdeckt, sondern etwas noch
Erstaunlicheres: Schwarze Löcher, die es bereits gab,
bevor sich die ersten Sterne bildeten.
Zwar hat noch niemand solche »primordialen« Schwar-
zen Löcher gesehen, doch nach manchen theoretischen
Modellen sind sie in riesigen Mengen aus dem heißen und
dichten Plasma hervorgegangen, das kaum eine Sekunde
nach dem Urknall den Kosmos erfüllte. Diese verborgenen
Massen würden mehrere Rätsel der modernen Kosmolo-
gie lösen. Insbesondere könnten primordiale Schwarze
Löcher wenigstens teilweise die Dunkle Materie erklären –
jene unsichtbaren 85 Prozent der kosmischen Gesamt-
materie, die durch ihre Schwerkraft Galaxien und Galaxien-
haufen stärker binden, als sich durch sichtbare Materie
allein begründen lässt. Künftige Forschungen mit LIGOund anderen Anlagen werden diese Ideen bald überprüfen
und möglicherweise ein radikal neues Bild des Kosmos
zeichnen (siehe Interview ab S. 20).
Schwarze Löcher sind an sich ideale Kandidaten für
Dunkle Materie, da sie kein Licht aussenden. Zusammen
mit anderen dunklen Himmelskörpern wie vagabundie-
renden Planeten und Braunen Zwergen bildeten sie als
MACHOs (massive compact halo objects) anfangs die
favorisierte Antwort auf die Frage, woraus die Dunkle Ma-
terie besteht. Die MACHOs sollten sowohl den jede Gala-
xie kugelförmig umgebenden Halo aus unsichtbarer Mas-
se bilden als auch in der Nähe des leuchtenden Galaxien-
zentrums sitzen, um mit ihrer Gravitationsanziehung die
sonst unverständlichen Bewegungen der Sterne und Gase
an den Galaxienrändern zu erklären. Vereinfacht ausge-
drückt rotieren die Galaxien zu schnell, als dass die sicht-
baren Massen der Sterne sie zusammenhalten könnten.
Die Dunkle Materie liefert die zusätzliche Anziehung, die
verhindert, dass die rotierenden Galaxien ihre Sterne
davonschleudern.Niedergang der MACHOs,
Aufstieg der WIMPs
Doch wenn MACHOs den größten Teil der Dunklen Mate-
rie ausmachen, müssen sie auch andere Beobachtungen
erklären. Die Dunkle Materie formt die größten Strukturen
im Universum; sie prägt Ursprung und Wachstum von
Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen. Die kosmi-
schen Gebilde entstehen durch den Gravitationskollaps
von Gasklumpen innerhalb der Dunkle-Materie-Halos.
Kosmologen haben die räumliche Verteilung dieser Klum-
pen präzise durch weiträumige Galaxiendurchmusterun-
gen vermessen und mit winzigen Temperaturfluktuationen
der kosmischen Hintergrundstrahlung, dem Nachglühen
des Urknalls, in Zusammenhang gebracht. Zudem krümmt
die Masse der in großen Galaxien und Haufen verborge-
nen Dunklen Materie den Raum und beugt das von noch
weiter entfernten Hintergrundobjekten ausgehende Licht
durch den so genannten Gravitationslinsen effekt.
Die MACHO-Hypothese fiel vor etwa einem Jahrzehnt
in Ungnade, als die Suche nach indirekten Indizien für
kompakte dunkle Massen ergebnislos blieb. Die Astrono-
men hatten dabei auf eine Abart des Gravitationslinsenef-
fekts gehofft: Beim so genannten Mikrolinseneffekt zieht
ein Schwarzes Loch, ein Brauner Zwerg oder ein großer
Planet vor einem Hintergrundstern vorbei und verstärkt
dessen Licht vorübergehend wie ein Brennglas. Mehrere
jahrelange Mikrolinsen-Durchmusterungen von Millionen
Sternen in der Großen und Kleinen Magellanschen Wolke,
den wichtigsten Begleitgalaxien der Milchstraße, ergaben
aber keinen Hinweis darauf. Den Messungen zufolge
konnten MACHOs von bis zu ungefähr zehn Sonnenmas-
sen unmöglich den Hauptbestandteil der Dunklen Materie
bilden. Deshalb favorisierten die Theoretiker anschließend
eine andere Erklärung, die auf schwach wechselwirkenden
Teilchen beruhte, den WIMPs (weakly interacting massive
particles).
WIMPs werden von gewissen Erweiterungen des
Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt, lassen