Dunkle Materie und Dunkle Energie: Was 95 % des Universums ausmacht

Was ist Dunkle Materie? Eine Definition

Der Begriff hat deutschsprachige Wurzeln: 1933 vermaß der Schweizer Astronom Fritz Zwicky die Geschwindigkeiten von Galaxien im Coma-Haufen und stellte fest, dass sie sich viel zu schnell bewegten. Die sichtbare Masse reichte bei weitem nicht aus, um den Haufen gravitativ zusammenzuhalten. In seiner auf Deutsch verfassten Arbeit folgerte Zwicky, es müsse zusätzliche »dunkle Materie« geben – Materie, die kein Licht aussendet. Diese Formulierung machte den Begriff in der Fachwelt populär.

Genau das ist bis heute die Definition: Dunkle Materie ist eine Form von Materie, die elektromagnetische Strahlung weder aussendet noch absorbiert noch reflektiert. Sie ist im wahrsten Sinne unsichtbar – für Teleskope jeder Wellenlänge. Bemerkbar macht sie sich ausschließlich über ihre Gravitation. Und davon gibt es reichlich: Nach den Messungen des Planck-Satelliten enthält das Universum gut fünfmal mehr Dunkle als gewöhnliche Materie.

Die Beweise: Rotationskurven, Gravitationslinsen, Mikrowellenhintergrund

Der entscheidende Durchbruch kam ab 1970: Die US-Astronomin Vera Rubin vermaß gemeinsam mit Kent Ford die Rotation der Andromeda-Galaxie. Da die sichtbare Masse einer Galaxie stark zum Zentrum hin konzentriert ist, sollten Sterne am Rand nach Newtons Gesetzen deutlich langsamer kreisen als solche weiter innen – so wie Neptun die Sonne langsamer umrundet als Merkur. Rubins Kurven aber verliefen flach: Die äußeren Sterne waren viel zu schnell. Ohne eine unsichtbare Zusatzmasse müssten solche Galaxien schlicht auseinanderfliegen, wie ein zu schnell drehendes Karussell seine Fahrgäste abwirft.

Der zweite Beweis ist der Gravitationslinseneffekt: Masse krümmt die Raumzeit und lenkt Licht ab. Aus der Stärke der Verzerrung lässt sich ein Galaxienhaufen direkt »wiegen« – und das Ergebnis liegt regelmäßig weit über der sichtbaren Masse. Paradebeispiel ist der Bullet Cluster, dessen Analyse 2006 veröffentlicht wurde: Bei der Kollision zweier Haufen blieb das heiße Gas – der Großteil der sichtbaren Materie – in der Mitte stecken, während die per Linseneffekt kartierte Masse ungebremst hindurchflog. Dunkle und normale Materie wurden hier buchstäblich räumlich getrennt beobachtet.

Drittens der kosmische Mikrowellenhintergrund, das Nachglühen des Urknalls: Die winzigen Temperaturschwankungen in dieser Strahlung folgen einem Muster, das sich nur erklären lässt, wenn das frühe Universum etwa fünfmal mehr Dunkle als gewöhnliche Materie enthielt. Aus diesen Daten stammt die berühmte Aufteilung: rund 68 % Dunkle Energie, 27 % Dunkle Materie, 5 % gewöhnliche Materie.

Was Dunkle Materie nicht ist

Ebenso wichtig wie die Belege ist die Abgrenzung. Vier populäre Erklärungen scheiden nach heutigem Wissen aus:

• Nicht einfach Schwarze Löcher: Mikrolinsen-Durchmusterungen wie MACHO und EROS haben den Halo unserer Galaxie systematisch abgesucht. Kompakte dunkle Objekte sind viel zu selten, um die fehlende Masse zu erklären.
• Keine Antimaterie: Träfe Antimaterie auf normale Materie, entstünde charakteristische Gammastrahlung durch Annihilation. Dieses Signal fehlt im Kosmos fast vollständig.
• Kein verstecktes Gas und kein Staub: Gewöhnliche Materie verrät sich durch Absorption und Emission von Licht. Zudem legt die primordiale Elementhäufigkeit aus der Urknall-Nukleosynthese die Gesamtmenge normaler Materie eng fest.
• Nicht dasselbe wie Dunkle Energie: Dunkle Materie zieht an und klumpt, Dunkle Energie wirkt abstoßend und ist gleichmäßig im Raum verteilt – dazu unten mehr.

Kandidaten für Dunkle Materie: WIMPs, Axionen – und Neutrinos

Der lange favorisierte Kandidat sind WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): schwere Teilchen, die nur über die schwache Kernkraft und die Gravitation wechselwirken. Detektoren wie LUX-ZEPLIN in den USA oder XENONnT im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor lauern tief unter der Erde auf seltene Teilchenstöße – bislang ohne Fund, was den möglichen Parameterbereich immer weiter einengt. Zweiter Favorit ist das Axion, ein extrem leichtes Teilchen, das 1977 zur Lösung eines Problems der starken Kernkraft (des sogenannten starken CP-Problems) vorgeschlagen wurde. Experimente wie ADMX versuchen, Axionen in starken Magnetfeldern in Mikrowellenphotonen umzuwandeln.

Historisch war das Neutrino der allererste Teilchenkandidat. Neutrinos existieren nachweislich, durchströmen den Kosmos in gewaltiger Zahl und besitzen – wie die Entdeckung der Neutrinooszillation zeigte – tatsächlich Masse. Als »heiße Dunkle Materie« scheiden sie als Hauptkomponente jedoch aus: Sie sind zu leicht und zu schnell, um die beobachteten Galaxienstrukturen zu formen – sie hätten kleine Strukturen glattgebügelt. Nach heutigen Massegrenzen stellen sie höchstens rund ein Prozent der Dunklen Materie. Aber immerhin: Sie sind der einzige Kandidat, der sicher existiert. Was diese Geisterteilchen genau sind, erklärt unser Grundlagenartikel Was ist ein Neutrino?

Dunkle Energie: der Motor der kosmischen Beschleunigung

Dunkle Energie ist ein völlig anderes Phänomen. 1998 vermaßen zwei Forscherteams entfernte Supernovae vom Typ Ia – kosmische Standardkerzen mit bekannter Leuchtkraft. Das Ergebnis schockierte die Fachwelt: Die Expansion des Universums wird nicht, wie erwartet, durch die Gravitation abgebremst, sondern beschleunigt sich seit rund sechs Milliarden Jahren. Saul Perlmutter, Brian Schmidt und Adam Riess erhielten für diese Entdeckung 2011 den Physik-Nobelpreis.

Die Ursache nennt man Dunkle Energie: eine dem Raum selbst innewohnende Energieform, die abstoßend wirkt und mit rund 68 % den größten Anteil am Energiegehalt des Universums stellt. Die einfachste Beschreibung ist Einsteins kosmologische Konstante Λ. Ob sie wirklich konstant ist, prüft derzeit unter anderem das DESI-Projekt – erste Daten aus den Jahren 2024/2025 liefern Hinweise darauf, dass Dunkle Energie sich mit der Zeit verändern könnte. Bestätigt ist das nicht, aber es zeigt: Auch hier ist die Physik in Bewegung.

Dunkle Materie vs. Dunkle Energie: der direkte Vergleich

Die beiden werden ständig verwechselt, sind aber fast Gegenspieler. Ein Merksatz für den Unterschied zwischen Dunkler Materie und Dunkler Energie: Dunkle Materie hält zusammen, Dunkle Energie treibt auseinander. Die Kurzfassung im Überblick:

• Wirkung: Dunkle Materie zieht durch ihre Gravitation an – Dunkle Energie treibt den Raum auseinander.
• Verteilung: Dunkle Materie klumpt zu Halos um Galaxien – Dunkle Energie ist überall im Raum gleichmäßig verteilt.
• Anteil: rund 27 % (Dunkle Materie) gegenüber rund 68 % (Dunkle Energie) des Universums.
• Rolle: Dunkle Materie war der Baumeister der kosmischen Strukturen – Dunkle Energie bestimmt das Schicksal der Expansion.
• Nachweis: Dunkle Materie über Rotationskurven und Gravitationslinsen – Dunkle Energie über Supernovae und die Geometrie des Universums.

Warum das für die Neutrinovoltaik-Forschung relevant ist

Zwischen all den offenen Fragen steckt ein bemerkenswert solides Ergebnis: Die Masse der Neutrinos – belegt durch die Neutrinooszillation und 2015 mit dem Physik-Nobelpreis für Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald gewürdigt – ist bis heute die einzige im Labor bestätigte Physik jenseits des Standardmodells. Dieselben Teilchen, die Kosmologen als kleinen, aber realen Beitrag zur Dunklen Materie führen, sind messbare Realität: 2017 wies das COHERENT-Experiment die kohärente Streuung von Neutrinos an Atomkernen nach – inklusive des winzigen Rückstoßes, den sie dabei übertragen. Nachgewiesen werden Neutrinos unter anderem in riesigen Wassertanks über die Tscherenkow-Strahlung (auch Cherenkov-Strahlung geschrieben) geladener Sekundärteilchen: Lichtblitze, die entstehen, wenn diese Teilchen das Wasser schneller durchqueren, als sich Licht in diesem Medium ausbreitet. Mehr dazu unter Wie man Neutrinos nachweist.

An diesem Punkt setzt die Grundlagenforschung der Neutrino Energy Group an, einer 2008 in Berlin gegründeten Forschungsorganisation um Holger Thorsten Schubart. Ihr Forschungsfeld, die Neutrinovoltaik, untersucht, ob sich Energie aus Umgebungsflüssen – dem Neutrinodurchgang ebenso wie thermischer Bewegung und elektromagnetischen Feldern – über patentierte Graphen-Silizium-Mehrfachschichten (Patent WO2016142056A1) in elektrische Signale wandeln lässt. Arbeiten wie die von Paul Thibado (2020), der zeigte, dass die thermische Wellenbewegung von freistehendem Graphen in einem Schaltkreis messbare Ströme induzieren kann, liefern dafür wichtige Anknüpfungspunkte. Zur Einordnung: Das ist laufende Forschung und Entwicklung, kein fertiges Produkt. Einen Überblick über den Stand des Feldes gibt Neue Energietechnologien.