Astrophysik Die dunkle Seite des Universums

Sie ist der Klebstoff, der unseren Kosmos zusammenhält: Die dunkle Materie. Doch wie erforscht man etwas, das unsichtbar ist? Der Astrophysiker Volker Springel weiß es.

© Hubble Heritage Team, Nasa, Esa

Kosmisches Karussell: Dass Spiralgalaxien keine Sterne verlieren, verdanken sie wahrscheinlich der dunklen Materie

Auf den ersten Blick könnte man ihn für verrückt halten: Volker Springel erforscht nämlich Dinge, die er noch nie gesehen hat. Dinge, die bisher auch niemand anderes gesehen hat. Doch es gibt immer mehr Hinweise dafür, dass es die unsichtbaren Dinge wirklich gibt und sie überall um uns herum sind: in jedem Raum, jeder Stadt, jedem Planeten, dem ganzen Universum.

Springel erforscht die dunkle Materie. Den Theorien der meisten Astrophysiker zufolge halten diese unsichtbaren Teilchen den Kosmos wie eine Art Leim zusammen. Der 38-jährige Forscher vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching hat wichtige Indizien für die Existenz des kosmischen Klebers zusammengetragen und wurde dafür bereits mit der Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft und dem Heinz-Maier-Leibnitz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft ausgezeichnet. Am vergangenen Freitag wurde ihm nun in Berlin der mit 100.000 Euro dotierte Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preis für Physik verliehen.

"Ohne die dunkle Materie würde das Universum völlig anders aussehen“, sagt er. Die Spiralgalaxien zum Beispiel, die sich wie riesige Karussells um die eigene Achse drehen, würden am Rand ausfransen und ständig Sterne ins Nirvana katapultieren, weil die Gravitationskraft der sichtbaren Materie allein zu schwach ist.

"Erst wenn man die dunkle Materie mit ihrer Anziehungskraft hinzunimmt, sind solche kompakten Gebilde möglich, wie wir sie mit unseren Teleskopen beobachten", sagt Springel. Damit die Sterne nicht vom Karussell fliegen, muss es rund sechsmal mehr dunkle Materie als sichtbare Materie geben, zeigen jüngste Berechnungen der Garchinger Forscher.

Springel und seine Kollegen ließen dazu das Universum noch mal von vorn beginnen. Auf einem Großrechner starteten sie eine Simulation im Jahr 380.000 nach dem Urknall – jener Zeit, in der das All durchsichtig wurde und erstmals Lichtwellen frei durch den Raum jagten. "Damals war die Materie nahezu perfekt gleichmäßig verteilt, wie ein spiegelglatter See mit einigen kleinen Wellen", erläutert der Forscher.

In den Erhebungen ist die Schwerkraft minimal anders als unter der glatten Oberfläche. Doch der Unterschied genügt, um im Lauf der Zeit Galaxien, Sterne und Planeten hervorzubringen. Die Frage ist nur, wie viel sichtbare und wie viel unsichtbare Materie vonnöten ist, damit das virtuelle Universum am Ende der Simulation genau so aussieht, wie das reale All in heutiger Zeit.

Weil die Wissenschaftler nicht jene 13,5 Milliarden Jahre Zeit hatten, die dem echten Universum zur Verfügung standen, haben sie einen würfelförmigen Ausschnitt betrachtet. Zwei Milliarden Lichtjahre misst jede Kante, deshalb passten auch nur 20 Millionen Galaxien hinein. "Wir planen bereits die nächste Simulation, bei der sich rund 400 Millionen Galaxien entwickeln", sagt Springel.

Auf einem gewöhnlichen PC würden die Berechnungen um die 600 Jahre dauern, ein Großrechner in Jülich soll das in sieben Tagen schaffen. "Damit kommen wir endlich in die Größenordnung, die wir auch mit unseren Teleskopen und Satelliten sehen", sagt Springel. "Das ermöglicht einen besseren Vergleich zwischen simuliertem und realem Kosmos."

Bei den bereits vorhandenen Berechnungen zeigte sich, dass die Annahme der dunklen Materie weitgehend schlüssig sei, berichtet Springel. Aber gerade im Detail steckten noch einige Probleme. So drehen sich etwa die zentralen Teile einiger Zwerggalaxien im Computermodell schneller als in Wirklichkeit.

"Es gibt einige Erklärungsansätze dafür, etwa Supernovä, die die Materie in den kleinen Galaxien durcheinanderbringen und zu den beobachteten Effekten führen könnten", sagt er. Ob das wirklich eine schlüssige Begründung ist, will Springel in der nächsten Zeit genauer untersuchen. Eine Antwort wird er wohl erst finden, wenn er bereits in Heidelberg ist. Denn dort soll er im Frühjahr eine Professur an der Universität antreten.

Der Wissenschaftler hatte auch Angebote von der Harvard-Universität und aus dem britischen Cambridge. "Die Entscheidung ist mir nicht leicht gefallen", erzählt er. Gemeinsam mit seiner Frau entschloss er sich, in Deutschland zu bleiben. Weil ihre eineinhalbjährige Tochter hier aufwachsen soll. "Und weil die Arbeitsbedingungen für Forscher hier besser sind als ihr Ruf", sagt der Mann, der aus dem schwäbischen Backnang stammt und bereits zu Gastaufenthalten in Berkeley und Harvard war. Für seine künstlichen Universen benötigt er leistungsfähige Großrechner. "Auch in Europa gibt es einige starke Supercomputer", sagt Springel. "Und man bekommt meist unkomplizierter Rechenzeit zugeteilt als in Amerika."

(Erschienen im gedruckten Tagesspiegel vom 16.11.2009)