Science 

Einsteins Relativitätstheorie soll exotische Effekte Dunkler Materie aufspüren

Um im Weltall Dunkle Materie ausfindig zu machen, bediente man sich bisher Einstein. Jetzt wird ein neuer Weg getestet.
Um im Weltall Dunkle Materie ausfindig zu machen, bediente man sich bisher Einstein. Jetzt wird ein neuer Weg getestet.
Foto: YE AUNG THU/ AFP/ Getty Images
Dunkle Materie kann man bislang nur über die von Einstein beschriebenen Gravitationseffekte nachweisen. Bonner Forscher gehen der Frage nach, ob sie sich zusätzlich über eine bislang unentdeckte Kraft bemerkbar macht.

Auch wenn es unserer Alltagserfahrung widerspricht: Eine Vogelfeder fällt genauso schnell wie ein Hammer – sofern keine Luft den Fall abbremst. Vor laufender Kamera vorgeführt hat das 1971 der Astronaut David Scott, und zwar auf dem Mond im Rahmen der Apollo-15-Mission.

Video: Federn gegen Hammer - Freier Fall auf dem Mond

Dass in einem Gravitationsfeld jedes Objekt gleichermaßen beschleunigt wird, hatten schon Galilei und Newton erkannt. Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie ist die genauste Beschreibung der Gravitation, die wir bislang kennen. Und auch Einsteins Modell verlangt, dass in einem Gravitationsfeld alle Objekte gleich fallen – egal aus welchem Material sie bestehen.

Bislang untermauern alle Experimente dieses sogenannte schwache Äquivalenzprinzip, wobei Forscher die Messgenauigkeit immer weiter erhöht haben. So bestätigte der 2016 gestartete Satellit MICROSCOPE, dass sich Testmassen aus Titan und Platinum im Schwerefeld der Erde gleich verhalten – mit einer Übereinstimmung bis mindestens 15 Stellen hinter dem Komma.

Nur Gravitation wirkt auf kosmischen Skalen

Eine messbare Abweichung vom Äquivalenzprinzip muss aber nicht gleich Einstein vom Thron stürzen; sie kann auch das Ergebnis einer weiteren Kraft sein, die auf die beobachteten Körper einwirkt. So müssten Eisenspäne in einem luftleeren Gefäß genauso schnell fallen wie Holzspäne. Platziert man im Deckel aber einen Magneten, fallen die Eisenspäne langsamer oder werden sogar nach oben hin angezogen.

Vier Kräfte kennt die Physik derzeit: Schwache und Starke Kernkraft, elektromagnetische Kraft und die Gravitation. Doch nur die Gravitation spielt für kosmische Größenskalen eine Rolle: Sie ist nicht abschirmbar und hat daher im Prinzip eine unbegrenzte Reichweite. Und über die Gravitation verrät sich auch die mysteriöse Dunkle Materie, die fünfmal häufiger ist als die Art von Materie, aus der Atome aufgebaut sind. Sie konzentriert sich im und um das Zentrum von Galaxien wie unserer Milchstraße.

Forscher um Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn gehen derzeit der Frage nach, ob zwischen Dunkler und normaler Materie neben der Gravitation zusätzlich eine weitere bislang unbekannte Kraft wirkt. „In der Tat wird solch eine Wechselwirkung von einigen Theorien vorhergesagt“, bestätigt Kramer, auch wenn diese Modelle eher als „exotisch“ gelten. Solch eine „fünfte Kraft“ könnte sich über eine (scheinbare) Verletzung des Äquivalenzprinzips bemerkbar machen – ähnlich wie der Magnet bei den fallenden Spänen.

Pulsar und Weißer Zwerg

Die Bonner haben für eine aktuelle Publikation einen Pulsar und einen Weißen Zwerg untersucht, die einander umkreisen. PSR J1713 + 0747 ist die Katalognummer dieses Binärsystems. Ein Pulsar ist ein Neutronenstern – also ein Himmelskörper, der keine Atome enthält, sondern Neutronen. Die sind so dicht beisammen, dass ein Schnapsglas davon so viel wiegt wie ein ganzes Gebirge. Kompakter geht es nicht mehr, sonst entsteht ein Schwarzes Loch. Ein Pulsar wiederum ist ein Neutronenstern, der sich schnell dreht und dabei in einer extrem gleichmäßigen Frequenz Pulse elektromagnetischer Wellen ausstrahlt, wie ein blinkender Leuchtturm. Etwas weniger dicht gepackt ist die Materie in Weißen Zwergen: hier gibt es noch klassische Atomkerne.

Video: Die NASA erklärt - Was ist ein Pulsar?

„Über die Ankunftszeiten der einzelnen Pulse können wir die Position des Pulsars auf seiner Umlaufbahn bis auf 30 Meter genau bestimmen“, erklärt Kramer das Prinzip der Messungen und ergänzt: „Wir beobachten diesen Pulsar schon seit zwanzig Jahren.“ Gäbe es nun eine fünfte Kraft, die auf klassische Materie eine anziehende oder abstoßende Wechselwirkung ausübt, so könnten Weißer Zwerg und Pulsar aufgrund ihrer unterschiedlichen Beschaffenheit anders auf diese Wechselwirkung reagieren. Dann sollten sie im Einflussbereich Dunkler Materie nicht auf gleiche Weise „fallen“, und das müsste sich in den Umlaufdaten des Pulsars widerspiegeln.

Begrenzter Spielraum für „exotische“ Theorien

„Bis jetzt haben wir nur Nullresultate“, fasst Kramer die Ergebnisse zusammen. Anders ausgedrückt: In den zwanzig Jahren hat sich das System aus Pulsar und Weißem Zwerg exakt so verhalten, wie es Einstein prognostiziert, und zwar bis zur 13. Stelle hinter dem Komma. „Das ist also die obere Grenze für die Existenz einer solchen Kraft“, resümiert Kramer. Das Team sucht jetzt nach Pulsar-Systemen, die näher am Zentrum der Milchstraße liegen – also mit mehr Dunkler Materie in der Umgebung. Entweder findet man dann eine Abweichung vom Prinzip des freien Falls, oder man grenzt den Spielraum für alternative Theorien noch weiter ein.

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