Dunkle Materie und Dunkle Energie

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Steckbrief

Normale Materie	etwa 5 % des gesamten Universums
Dunkle Materie	etwa 27 %
Dunkle Energie	etwa 68 %
Erster Hinweis auf Dunkle Materie	1933, Fritz Zwicky und der Coma-Haufen
Belege aus der Rotation von Galaxien	1970er-Jahre, Vera Rubin und Kent Ford
Beschleunigte Expansion entdeckt	1998, mithilfe von Supernovae vom Typ Ia
Wichtige Mission	Euclid der ESA, gestartet im Juli 2023
Stand 2026	keine von beiden wurde direkt nachgewiesen oder erklärt

Kurz gesagt

Alles, was wir sehen können, von Sternen über Gas bis zu Menschen, macht nur etwa 5 % des Universums aus.
Dunkle Materie ist unsichtbares Material, dessen Schwerkraft Galaxien und Haufen zusammenhält; sie macht etwa 27 % aus.
Dunkle Energie ist ein unbekannter Effekt, der die Ausdehnung des Universums beschleunigt; sie macht etwa 68 % aus.
Die Belege stammen aus der Rotation von Galaxien, der Lichtablenkung durch Schwerkraft und dem Aussehen ferner Supernovae.
Missionen wie Euclid der ESA kartieren Milliarden Galaxien, um zu prüfen, was hinter diesen beiden Rätseln steckt.

Das Universum, das wir nicht sehen

Wenn Astronomen alle beobachtbaren Sterne, Gase und Staubwolken zusammenzählen, bleibt die Summe weit hinter dem zurück, was laut Schwerkraft vorhanden sein muss. Und die Art, wie das ganze Universum wächst, passt nicht zu dem, was gewöhnliche Materie allein bewirken würde.

Zwei Namen decken diese Lücken ab. Dunkle Materie ist zusätzliche Masse, die anzieht, aber nicht leuchtet. Dunkle Energie ist das, was das Universum dazu bringt, sich mit der Zeit immer schneller auszudehnen.

„Dunkel“ heißt hier einfach unbekannt und für Teleskope unsichtbar. Keines von beiden hat etwas mit den dunklen Staubwolken zu tun, die man auf Fotos der Milchstraße sieht.

Belege für Dunkle Materie

1933 vermaß Fritz Zwicky Galaxien im Coma-Haufen und stellte fest, dass sie sich so schnell bewegten, dass die sichtbare Materie sie nicht zusammenhalten konnte. In den 1970er-Jahren maßen Vera Rubin und Kent Ford, wie Sterne in Spiralgalaxien kreisen. Sterne weit vom Zentrum bewegten sich genauso schnell wie solche weiter innen, was nur Sinn ergab, wenn jede Galaxie in einem großen, unsichtbaren Halo aus Masse steckte.

Schwerkraft lenkt auch Licht ab, ein Effekt namens Gravitationslinseneffekt. Massereiche Galaxienhaufen verzerren die Bilder dahinterliegender Galaxien zu Bögen, und das Ausmaß der Ablenkung verrät weit mehr Masse, als die sichtbare Materie liefern kann.

Der Bullet-Haufen, 2006 eingehend untersucht, ist ein Paar von Galaxienhaufen, die einander durchdrungen haben. Röntgenbilder zeigen, dass das heiße Gas, das den Großteil der normalen Materie enthält, in der Mitte abgebremst wurde, während der Linseneffekt zeigt, dass der Großteil der Masse weitergezogen ist. Diese Trennung lässt sich ohne Dunkle Materie kaum erklären.

Was könnte Dunkle Materie sein?

Dunkle Materie scheint Licht weder auszusenden noch zu absorbieren oder zu reflektieren, hat aber Schwerkraft. Die meisten Forscher vermuten, dass sie aus noch nicht identifizierten Teilchen besteht.

Beliebte Kandidaten sind WIMPs, schwere Teilchen, die kaum mit irgendetwas wechselwirken, und Axionen, extrem leichte Teilchen. Detektoren tief unter der Erde, an Teilchenbeschleunigern und im All suchen seit Jahrzehnten, bis 2026 ohne bestätigtes Signal.

Eine kleinere Gruppe von Forschern untersucht stattdessen modifizierte Gravitation, die Idee, dass sich die Schwerkraft auf Galaxienskalen anders verhält. Bisher erklärt aber keine solche Theorie alle Belege so gut wie Dunkle Materie, besonders Fälle wie den Bullet-Haufen.

Dunkle Energie und das beschleunigte Universum

Seit den 1920er-Jahren wissen Astronomen, dass sich das Universum ausdehnt. Die meisten erwarteten, dass die Schwerkraft diese Ausdehnung mit der Zeit bremst.

1998 nutzten zwei Teams Supernovae vom Typ Ia, explodierende Weiße Zwerge mit vorhersagbarer Helligkeit, um Entfernungen zu fernen Galaxien zu messen. Die fernen Supernovae erschienen lichtschwächer als erwartet, die Ausdehnung hat sich also in den letzten Milliarden Jahren beschleunigt. Die Entdeckung wurde 2011 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Die einfachste Erklärung ist eine gleichbleibende Energie, die dem Raum selbst innewohnt, nahe an der „kosmologischen Konstante“, die Einstein einst vorschlug. Neuere Durchmusterungen wie DESI deuten an, dass sich Dunkle Energie mit der Zeit verändern könnte, doch Stand 2026 wird das noch geprüft.

Die Bilanz: 5 %, 27 %, 68 %

Kombiniert man Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung, des schwachen Nachglühens des Urknalls, mit Galaxien- und Supernova-Durchmusterungen, ergibt sich eine bemerkenswert stimmige Bilanz. Normale Materie macht etwa 5 % aus, Dunkle Materie etwa 27 % und Dunkle Energie etwa 68 %.

Diese Anteile sind ungefähre Werte und beschreiben das heutige Universum. Im frühen Universum spielte Dunkle Energie eine viel kleinere Rolle, und die Materie dominierte.

Anders gesagt: Etwa 95 % des Kosmos bestehen aus Dingen, die wir über ihre Wirkung beschreiben, aber noch nicht benennen können.

Euclid und andere Missionen

Das Weltraumteleskop Euclid der ESA startete im Juli 2023; die NASA steuerte die Infrarotdetektoren bei. Von einer Position etwa 1,5 Millionen km von der Erde entfernt kartiert es Formen und Entfernungen von Milliarden Galaxien auf etwa einem Drittel des Himmels.

Winzige Verzerrungen in den Formen der Galaxien zeichnen die Dunkle Materie zwischen uns und ihnen nach, und das Muster der Galaxien im Lauf der Zeit verrät, wie Dunkle Energie den Raum gedehnt hat. Die ersten Bilder erschienen 2023, die ersten Durchmusterungsdaten 2025.

Weitere Projekte ergänzen das Bild, darunter das Vera C. Rubin Observatory in Chile und das Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop der NASA, das im August 2026 gestartet ist.

Offene Fragen

Welches Teilchen ist Dunkle Materie, falls überhaupt eines? Ist Dunkle Energie wirklich konstant, oder verändert sie sich? Könnte eine tiefere Theorie der Schwerkraft beide miteinander verbinden?

Die Antwort auf eine einzige dieser Fragen würde die Physik wahrscheinlich umkrempeln. Vorerst sind Dunkle Materie und Dunkle Energie am besten als genaue Bezeichnungen für reale, gemessene Effekte zu verstehen, deren Ursachen noch unbekannt sind.