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AstroGeo Podcast: Dunkle Materie – warum wir nicht auseinanderfliegen

Einige zusammengewürfelte Galaxien

Inzwischen hat man sich fast an den Gedanken gewöhnt, dass unser Universum voll Dunkler Materie ist. Die können wir zwar nicht sehen, aber sie sorgt dafür, dass unsere Galaxienhaufen und auch unsere eigene Galaxie nicht auseinanderfliegen. Tatsächlich ist die Dunkle Materie für uns überlebenswichtig. Da verzeiht man ihr es gerne, dass sie wohl 84 Prozent aller Materie im Universum ausmacht.

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fieberhaft nach der Dunklen Materie – was gar so einfach ist, wenn man bedenkt, dass niemand sie sehen kann und sie auch nicht mit sichtbarer Materie wechselwirkt, aus der wir und alles um uns herum besteht. Aber, da sind Forschende fast sicher: Es muss sie einfach geben, die Dunkle Materie.

Aber warum muss es Dunkle Materie in unserem Universum geben? In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi den Anfang einer Geschichte: die der Entdeckung der Dunklen Materie. Sie fängt mit dem Coma-Galaxienhaufen an, dessen Galaxien zu schnell unterwegs sind, hin zu Galaxien, die zu schnell rotieren und eigentlich auseinanderfliegen sollten. Doch schließlich war es die Kosmologie und der Wunsch nach einem ganz bestimmten Universum, welche der Dunklen Materie zu ihrem Durchbruch auf der wissenschaftlichen „Most-Wanted“-Liste verhalfen.

Episodenbild: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

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https://www.astrogeo.de

Karl Urban wäre gern zu den Sternen geflogen. Stattdessen gründete er 2001 das Weltraumportal Raumfahrer.net und fühlt sich im Netz seitdem sehr wohl. Er studierte Geowissenschaften und schreibt für Online-, Hörfunk- und Print-Publikationen. Nebenbei podcastet und bloggt er.

11 Kommentare

  1. Das Rätsel der Dunklen Materie bzw. der Dunklen Energie wird man nicht lösen können – wenn man sich nicht endlich mit dem Wesen der ´Zeit´ befasst.
    Bisher gibt es noch gar keine wissenschaftliche Definition für ´Zeit´ – d.h. hier ist eine Lücke in der Grundlagenforschung.

    • Als Astro-Laie habe ich aus der kleinsten Zeiteinheit ein String-Teilchen (String-Theorie) gebastelt. Lesen Sie doch mal folgenden Beitrag:
      Zum besseren Verständnis, nochmal die Formel: E= (mp)^2, bzw. E = w^2:
      a) m = t > ein Raum-Zeit-Quant, bzw. > String mit den Werten L (Länge) = Phi/3 und U (Umfang) = Phi, ein fester Wert. Es handelt sich um eine Energie-Teilchenwelle. Diese t-Quanten erfüllen das ganze Universum und verbreiten sich bei ständigem Nachschub in alle 4 Dimensionen (andere Bezeichnung für Äther). Die Zeit wächst also mit.
      b) p = Impulse > eine erforderliche Anzahl für die Berechnung der Wegstrecke > w. Bei unterschiedlicher Dauer (ähnlich Morsezeichen) sogar Träger von Informationen.
      c) w = (mp) > ist die Verbindung von t-Quant und Impulsenergie, eine lineare Energie. Über die Herkunft dieser t-Quanten und den Begriff
      – – “Raum-Zeit“ habe ich Artikel, wie:
      – – http://www.4-e-inigkeit.info/Hintergrundstrahlung.html
      – – http://www.4-e-inigkeit.info/Raum-Zeit.htm
      – – ins Internet gestellt. Lt. dem Homepage-Center werden Artikel aus meiner Homepage auf allen Kontinenten gelesen.
      d) E = w^2 > geschieht innerhalb des Universums und ist der Wert für die lineare Energie, berechnet sozusagen für hin und zurück, ähnlich wie in der Mechanik bei einer gedrückten Feder.
      e) 1/ (E/10) > bedeutet die Änderung einer linearen Energie in eine kreisförmige Energie,
      die s. g. Kopplungs-Energie, gespeichert in 2 t-Quanten mit je einer Eigendrehung (eins davon komplementär) und mit den entsprechenden Spin-Vektoren +1 und -1. Sieht aus, wie eine Endlosschleife und steht stellvertretend für die permanent zunehmende “Dunkle Energie“.
      Diese Energie-t-Quanten-Pärchen bringen (dank der Kopplungs-Energie) auf dem Weg durch das Universum (aufgrund eines äußeren Impulses) 2 weitere, vorhandene t-Quanten in eine komplementäre Eigendrehung mit Spin +1 u. -1 > vergleichbar mit dem Plankschen Wirkungsquantum.
      Auf die dieselbe Weise geht es weiter zum Lichtquant. Dieses besteht somit aus 6 t-Quanten und hat sogar eine kleine Masse, nämlich:
      1eV = 1,77070642*10^-16 Energie-Masse-Gramm.
      Aus diesem Grund kann man Lichtquanten auch als “Dunkle Materie“ bezeichnen.
      Würde kein Nachschub von außen kommen, gäbe es schon lange kein Universum mehr, denn die Gravitationskraft (Konstante) ist größer als das Planksche Wirkungsquantum. Hierzu gibt es auch eine Grafik “Gedankenexperiment zur Gravitation . . .“ im Hauptartikel: EsN-Recherche.htm.
      Noch Fragen?
      M. f. G.

      • @Bülten
        Es gibt bisher keine Definition für ´Zeit´.
        D.h. Aussagen zu diesem Thema haben keine wissenschaftliche Grundlage.

  3. Dunkle Materie und anderes postuliert existent Unbeobachtetes

    Worum geht es?
    Es ist alles andere als trivial, Raum und Zeit als physikalische “Gegenstände” zu betrachten. Raum und Zeit sind primär “Ordnungsmuster des Verstandes”. Um aus diesen Ordnungsmustern Physik zu “erhalten”, bedarf es phänomenologischer Betrachtungen und Erklärungen.

    Populärwissenschaftliche Ausführungen zur Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) und in einem größeren Rahmen des Standardmodells der Kosmologie (Lambda-CDM-Modell) sind allesamt unzulässige Interpretationen, da die zum Verständnis notwendige Komplexität nicht berücksichtigt wird. Das ist so, als wenn jemand chinesische Schriftzeichen einem diesbezüglich nicht schriftkompetenten Publikum zur Anschauung und Diskussion vorstellt. Da kann dann alles und nichts hineininterpretiert werden, da niemand die Voraussetzungen zur Dekodierung sowie niemand die Voraussetzungen der Schriftgestaltung hat. Plakativ formuliert: In der ART führen auch Schreibfehler zu neuen Lösungen und das gilt (bereits) für Leute, die Differentialgeometrie professionell betreiben.

    Das Standardmodell der Kosmologie basiert auf einem mathematisch-theoretischen Konstrukt mit einer großen Anzahl freier Parameter. Mit diesen, stetig nachkorrigierten freien Parametern entsteht eine komplexe Deutungs-Beliebigkeit, die jede Theorie unterstützt, die gewünscht ist. Freie-Parameter-Physik ist rational logisch – und aus naturphilosophischer Sicht – betrachtet, trotz der vielen „Zahlen“, ausnahmslos eine Nullnummer der Erkenntnis.

    Freier Parameter und Variable
    Sie können die Lautstärke des Abspielgerätes variieren oder die Helligkeit des Fernsehens, dies sind „zweckmäßige Variablen“. Auch Autos und Flugzeuge lassen sich variabel steuern. Doch keine einzige Anwendung, kein einziges Naturereignis besitzt auch nur einen freien Parameter. Merke: Jede willkürlich gewählte Größe zerstört die Funktion der Anwendung. Es ist sinnleer Objekte und Wechselwirkungen zu postulieren, die unbeobachtbar sind. Vereinfacht formuliert: Ihr Auto fährt, weil es eine wahrnehmbare Ausdehnung und ein messbares Gewicht besitzt. Wasserstoff und Wasserstoffmoleküle nehmen gleichfalls Raum ein und haben ein Gewicht. Nun zu behaupten, dass die Bausteine des Wasserstoffs aus Objekten bestehen, die teils keine Ausdehnung haben und unbeobachtbar sind, bringt die Verkünder und deren Gläubige zurück ins „barocke 17.Jahrhundert“, … „außer Phlogiston nix gewesen“…

    Georg Ernst Stahl war neben Johann Joachim Becher ein Hauptbegründer der Phlogistontheorie…

    Die Phlogistontheorie konnte ausreichend (Oxidations- und Reduktions-) Prozesse verständlich machen.

    Die Phlogistontheorie regte dazu an, „feinst verteiltes“ Phlogiston aufzufangen und zu untersuchen.

    Die Theorie ermöglichte eine Systematisierung von Stoffgruppen…

    Antoine Laurent de Lavoisier „ersetzte“ das Phlogiston durch die „kalorische Substanz“, die gleichfalls unsichtbar sei, kein Gewicht besäße und sich zwischen den Molekülen aufhielte…

    Später dann untersuchte Lavoisier die Gewichtsveränderungen verschiedener Stoffe bei Oxidation und bei Reduktion und entdeckte, dass das gerade aufgefundene Element Sauerstoff dabei die entscheidende Rolle spielt und widerlegte die Phlogistontheorie. Vergeblich versuchten die Verteidiger der Phlogistontheorie, wie Henry Cavendish, Joseph Priestley, Carl Wilhelm Scheele diese zu bewahren, indem sie modifizierte Phlogiston-Modelle kreierten.

    Selbstversuch: Ersetze Phlogiston durch „moderne Theorieobjekte“ (Quarks, Gluonen, dunkle Materie, dunkle Energie, Neutrinos,…)

      • Ein Experiment braucht zu seiner Konzeption eine konkrete Fragestellung. Ist die Fragestellung das Ergebnis eines mathematischen Formalismus, so ist das Versuchsergebnis entsprechend theoriebeladen. Wenn dann noch die messbaren Ergebnisse vorselektiert und nur indirekt mit den postulierten Theorieobjekten „verbunden“ sind, ist der Interpretations-Beliebigkeit nichts mehr entgegenzusetzen. Auch für Neutrinos gilt: Es gibt keinen einzigen direkten Neutrinonachweis. Es handelt sich stets um stark theoriebeladene Versuchsergebnisinterpretationen.

        Was man u.a. wissen respektive bedenken sollte: Standardmodell-(SM)-Forderung: Um die Fermionenmassen durch Kopplung der Fermionen an das Higgs-Feld zu erzeugen, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: Die Massen der rechts- und linkshändigen Fermionen müssen gleich sein. Das Neutrino muß masselos bleiben. Diese Grundbedingung steht in einem eklatanten Widerspruch zu gleichfalls postulierten Neutrino-Oszillationen (Nobelpreis 2015), die zwingend Neutrinomassen voraussetzen. Dieser Umstand wird letztendlich von den SM-Protagonisten ergebnisorientiert ausgeblendet.

        Um einen kleinen Einblick in den Theoriealltag zu bekommen, sei folgendes bemerkt:
        Was bedeutet „Neutrinoforschung“? : …Man misst die Ströme der Kaonen und Pionen und bestimmt indirekt den Fluss der Neutrinos…
        Nun sind aber schon Pionen (π0, π -, π+) und erst recht Kaonen (K+, K-, K0, K0) höchst konstruierte Gebilde. Bedeutet: Die Anzahl der Existenzpostulate, wie Masse, Ladung, Spin, flavor(s), Lebensdauern und Quarkzusammensetzung ist bereits „beachtlich“. Die möglichen Umwandlungen ergeben „ vielfältige“ Wechsel-Wikungs-Spiel-Szenarien. Des Weiteren: Das neutrale Kaon ist nicht sein eigenes „Antiteilchen“, dies führt (allgemeiner) zu der Konstruktion der Teilchen-Antiteilchen-Oszillation und das neutrale Kaon soll in zwei Formen, einer langlebigen und einer kurzlebigen Form existieren. Daraus nun auf Eigenschaften „flavor-oszillierender“ Neutrinos zu schließen, potenziert die Beliebigkeit nochmals. Um das alles (reproduzierbar) zu verstehen, braucht man den absoluten Glauben an axiomatische Schöpfungen. Als Belohnung winkt dann jedoch der Freibrief, dass jedwedes Versuchsergebnis „erklärbar“ wird (…das wir bis dahin – in Verbindung mit der »experimentellen Seite« – grob geschätzt einige Dutzend weitere ergebnisorientierte Annahmen machen müssen, … kümmert die Vertreter dieser Konstruktionen offensichtlich nicht).

        „Sagen“ wir es mal so, die Neutrinothese ist ein Sakrileg. Auch nur zu denken, dass es keine Neutrinos gibt, wird als schwerwiegende Leugnung insbesondere nicht fachlich Ausgebildeter abgetan.

        Wie auch immer, Tatsache ist, das Neutrino-Existenz-Postulat entstand aus der Annahme, dass vermeintlich experimentell zu beobachtende Energie fehlt(e).
        Am Rande dazu bemerkt: Niels Bohr äußerte bereits 1931 auf einer Konferenz in Rom die Ansicht, dass zum Verständnis des Betazerfalls nicht neue Teilchen, sondern ein ähnlich schwerwiegender Umsturz der bestehenden Vorstellungen nötig sei wie bei der Quantenmechanik. Er zweifelte den Satz von der Energieerhaltung an, ohne jedoch einen konkreten Gegenvorschlag entwickelt zu haben.

        Rational ergebnisoffen gefragt: Gibt es argumentativ begründbare, phänomenologisch basierende Denkmodellalternativen zur Neutrino-These?
        Ja, die gibt es durchaus. Zum Verständnis: In der „herrschenden“ Theoretischen Modellphysik gibt es den Raum sozusagen gratis. Da des Weiteren die postulierten Theorieobjekte keine Ausdehnung besitzen sollen, obwohl wir realphysikalisch makroskopischen Raum als Fundamentaleigenschaft von Materie anerkennen, ist es unvorstellbar, dass Energie benötigt wird, um einen (Objekt-)Raum „aufzuspannen“. Das bedeutet jedoch in (m)einem alternativen Denkmodell, dass die vermeintlich fehlende, rein auf die Masse bezogene Energie, nun in der Raumvergrößerung „steckt“. Das bedeutet, dass wir den Elementarteilchen Masse und räumliche Ausdehnung (Radius), gemäß ihrer Comptonwellenlängen zuordnen, ohne das hier erst einmal genauer auszuführen). Mit diesem übergeordnet sehr erfolgreichen (ontologischen) Denkmodell, löst sich die Energieerhaltungsproblematik auf. Einfach formuliert: Masseabhängige Energie wandelt sich in Raumenergie und umgekehrt. Der Energieerhaltungssatz wird nicht verletzt, doch führt diese Betrachtungsweise zu einem Paradigmenwechsel, da der Raum als solcher eine Energieform ist.

    • Dirk Freyling schrieb (27.05.2023, 00:35 Uhr):
      > […] Das Standardmodell der Kosmologie basiert auf einem mathematisch-theoretischen Konstrukt

      … nämlich der Allgemeinen Relativitätstheorie zur Definition geometrisch-kinematischer Messgrößen (im Allgemeinen), und insbesondere wohl zusammen mit der Definition dynamischer Messgrößen nach Einstein und Hilbert.

      Deutlicher müsste deshalb wohl vom “Standardmodell der Einstein/Hilbert-Kosmologie” gesprochen werden; in Unterscheidung z.B. vom “Standardmodell der Weyl/Mannheim-Kosmologie”.

      > mit einer großen Anzahl freier Parameter.

      Der betreffende Wikipedia-Artikel tabelliert (z.Z.) genau sechs solcher “freier Parameter” bzw. Messgrößen hinsichtlich deren Werten sich (E/H-)kosmologische Modelle offenbar voneinander unterscheiden können;
      zusammen mit denjenigen gemessenen Werten bzw. Vertrauensbereichen für diese sechs Messgrößen, die als das Standardmodell der Kosmologie bezeichnet werden.

      > Mit diesen, stetig nachkorrigierten freien Parametern

      … für die betreffenden Parameter können natürlich mit jedem weiteren Messversuch weitere, ggf. aktuellere Werte bzw. Vertrauensbereiche ermittelt werden. Insbesondere das Standardmodell wird somit (sofern Resultate gefunden wurden) jeweils getestet und entweder noch verfeinert, oder ansonsten verworfen. …

      > entsteht eine komplexe Deutungs-Beliebigkeit, die jede Theorie unterstützt, die gewünscht ist.

      Zusammenfassung (und somit wohl auch “Deutung”) von bestimmten Messwerten (d.h. einzelnen Elementen des Wertebereiches) bzw. Vertrauensbereichen (Teilmengen des Wertebereiche) bestimmter Messgrößen werden durch Modelle geleistet; insbesondere vom Standardmodell des jeweiligen Forschungsfeldes (sofern dazu überhaupt schon Messungen vorliegen).

      Die Theorie, die die betreffenden Parameter als Messgrößen (jeweils mit bestimmten Wertebereich) überhaupt erst definiert, ist und bleibt dabei jedenfalls festgelegt.

  4. Ich suche das dunkle, unsichtbare Zeug, aus dem fast das ganze Universum besteht. Also gehe ich in einer Sternennacht nach draußen, kippe den Kopf nach hinten, klappe die Augenlider hoch, gucke – oh, gefunden.

    Zu dem Zeitpunkt wusste ich noch gar nichts über Dunkle Materie und Dunkle Energie. Es ärgerte mich nur, dass die gesamte Wissenschaftswelt die einfachste, offensichtlichste Antwort ignorierte. War nämlich nicht das erste Mal, wo es mir vorkam, als würden die großen Fragen der Physik daraus resultieren, dass die Wissenschaft von Genies gemacht wird, die den Kindergarten übersprungen haben und deswegen unterqualifiziert sind, die ganz kleinen, elementaren zu lösen. Merke fürs Leben, du wirst jeden Fehler begehen, für den du dich zu schlau hältst, denn dann wirst du ihn nicht mal bemerken. Kaliber Einstein kann nur an Flüchtigkeitsfehlern scheitern, und an der Autoritätsgläubigkeit der Jünger, die als unbegreifliches Geheimnis hinnehmen, was aus ganz platten Gründen keinen Sinn ergibt. Zu viel Licht macht blind.

    Inzwischen gehe ich davon aus, dass meine Augen mir eine Halbwahrheit zeigten, und die Mär von Dunkler Materie auf die Eigenschaften des Raumes zurückgeht. Somit wären die Wissenschaftler so was wie die Flat-Earth-Society: Wenn man mit tausend Wasserwaagen auf tausend Tischen bewiesen hat, dass die Erde flach ist, wird man sich die Dinge am Horizont nicht mit deren Krümmung erklären, sondern saugt sich irgendwelchen Hokuspokus aus den Fingern. Wir wissen zwar durch Rotverschiebung, dass die Raumzeit krumm ist, wir wissen, dass der Raum wie eine Linse wirken kann, doch dass die Krümmung die gleichen optischen Effekte verursachen könnte, wie jede andere Linse, passt uns nicht zu den gesicherten und jederzeit nachprüfbaren Daten der Wasserwaage.

    Ich sehe in den Sternen jedenfalls die gleichen Verzerrungen, wie am Rande eines Türknaufs oder einer Weihnachtskugel, in der sich meine Nase spiegelt, nur in 4D. Das heißt nicht, dass die Erklärung wahr ist. Aber, frei nach Ockham, würde ich schon die Reihenfolge einhalten: Bevor ich meine Theorien mit Dark Fudge zukleistere, erst mal das Bekannte versuchen. Kleister hat die gleiche Wirkung auf Wissenschaftstheorien, wie Garn und Superkleber auf die Mitmenschen, die Leatherface und Gacey dem Clown in die Hände fallen, der für seine Ballontiere berühmt ist – der Kreativität sind keine Grenzen gesetzt, nur ist das Kunstwerk dann nicht unbedingt lebensfähig.

    Vielleicht wird die Dunkle Materie aber trotzdem real und zum Raum selbst, wenn man sie mir nichts, dir nichts, mit Daten verschmilzt, die jeder sehen kann – dass im Zentrum aller Obiekte so was wie ein Schwarzes Loch ist, das sie mit einer Art kosmischem Aderwerk verknüpft, das Masse und Energie umverteilt und fürs Gleichgewicht sorgt. Bei Ihnen nennt man das Verdauungstrakt, bei der Batterie Pluspol und Minuspol, in der Raumzeit und Mathematik, Punkt – also das Ding, das alles Licht und alle Materie bündelt, schluckt, streut und weiter umverteilt. Dann hätten Sie die Dunkle Materie in die Wirklichkeit hinüber gerettet, denn sie wäre das Trägermaterial, die Fäden der Leinwand, auf der das Universum gemalt ist, der Bildschirm, auf dem es sich abspielt. So kann ich auch Tote zum Leben erwecken: Wenn Lazarus tot ist und Kunz noch lebt, benenne ich Kunz in Lazarus um, voilà – keine Magie, Wissenschaft, meine Damen und Herren!

    Ich habe höchsten Respekt von Wissenschaftlern. Doch für Logik auf Kindergartenniveau braucht es eben irgendeinen dahergelaufenen Honk. Manchmal braucht Frankenstein halt Igors Bauernschläue, um die Monster zum Leben zu erwecken. Manchmal nervt Igor nur und stört mit seiner Klugscheißerei. Muss Frankenstein wissen.

  5. Sog. dunkle Materie, die nicht naturwissenschaftlich hinreichend belegt ist, muss es sozusagen geben, damit bestimmte naturwissenschaftliche Konstrukte, Theorien (“Sichten”) sind gemeint, nicht in einen, äh. Engpass geraten.
    Ein Postulat liegt vor – und Dr. Webbaer ist streng (natur-)wissenschaftstreu, sozusagen.
    Schöne KW 22 noch
    Dr. Webbaer

  6. Dunkle Materie ist eine Gravitationsanomalie, welche auch durch die bestehenden Theorien der Gravitation hervorgerufen sein können. insbesondere kann das Gravitationsgesetz, genauer gesagt, die Materialunabhängigkeit der Schwerkraftstärke gar nicht mit der bisherigen Wahrnehmung/Methodik bewiesen werden. Das Starke Äquivalenzprinzip erzwingt es zu denken, das die Evidenz der Materialunabhängigkeit der Schwerkraftstärke nicht gegeben sein kann. Es fällt auch alles mit materialabhängiger Schwerkraftstärke auf der Erde gleich. Wer meint, was mehr Schwerkraft pro Masse generiere, das würde schneller fallen, der irrt. Denn die Trägheit dieser Masse wäre ja ebenfalls im gleichen Maßeund höher. Eine spezifische Schwerkraftstärke wird durch die ebenfalls spezifische Trägheit beim Beschleunigen kompensiert. Gegen diese Tatsache ist kein physikalisches Kraut gewachsen, ob das Gravitationsgesetz als bewiesen gilt oder nicht. Okay, Einstein rechnete mit einer materialunabhängigen Schwerkraft, er hätte, wäre ihm das bewusst gewesen, keine Formel gebacken bekommen bei einer viel komplizierteren Materialabhängigkeit der Schwerkraft. Newtons Schwerkraftformel ist nur eine Annahme, und keinesfalls die Massenproportionalität direkt beobachtbar. Das ist so sicher wie Einsteins starkes Äquivalenzprinzip selbst.

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