Spiegeluniversum und Rand des Kosmos:
Neue Ideen zu dunkler Materie

In den ersten Sekunden nach dem Urknall war das Universum ein brodelndes Meer aus Energie und Teilchen. Aus diesem Chaos könnten nicht nur Sterne und Galaxien, sondern auch die rätselhafte dunkle Materie hervorgegangen sein - so zwei neue Theorien.

Zwei Theorien zur dunklen Materie

In seiner jüngsten Arbeit entwirft Stefano Profumo, Physiker an der University of California, Santa Cruz, das Bild einer unsichtbaren "Schwesterwelt" innerhalb unseres eigenen Universums. Sie teilt denselben Raum und dieselbe Zeit wie die sichtbare Materie, ist aber für uns vollkommen durchsichtig - ihre Teilchen spüren weder Licht noch elektromagnetische Kräfte, sondern nur Gravitation. In dieser verborgenen Welt gäbe es Bausteine, die an unsere Quarks und Gluonen erinnern, hier "dunkle Quarks" und "dunkle Gluonen" genannt.

Sie könnten sich zu besonders schweren Teilchenverbünden zusammenschließen, sogenannten "dunklen Baryonen". Unter den extremen Bedingungen kurz nach dem Urknall wären diese so dicht geworden, dass sie zu winzigen, stabilen Objekten kollabierten - Mini-Schwarzen Löchern -, die seitdem durch den Raum treiben und heute möglicherweise die gesamte dunkle Materie ausmachen.


Damit solche Mini-Schwarzen Löcher entstehen, müsste diese "dunkle Welt" im jungen Universum ganz bestimmte Eigenschaften haben - vergleichbar mit einem Baukasten, in dem nur eine begrenzte Zahl an Steinsorten erlaubt ist und jedes Steinchen ein bestimmtes Gewicht besitzen muss. Sind es zu viele Sorten oder zu leichte Steine, klappt der Zusammenbau nicht. Anders als andere Schwarze Löcher würden sie nicht durch gewaltige kosmische Ereignisse entstehen, sondern allein durch die besonderen Eigenschaften ihrer Bausteine.

Der Rand des Universums

In einer weiteren Arbeit wendet sich Profumo nicht einer verborgenen Welt zu, sondern dem Rand unseres eigenen Universums - dem "kosmischen Horizont" in einer sehr frühen Phase. Er funktioniert physikalisch ähnlich wie der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs. In dieser Zeit dehnte sich der Raum für kurze Zeit erneut beschleunigt aus. Für einen Beobachter in diesem Universum wirkte der Horizont wie eine unsichtbare Hülle, die durch Quantenfluktuationen - spontane "Energiezuckungen" im Raum selbst - Teilchen ins Innere "strahlte".

Diese Teilchen könnten, wenn sie stabil sind, bis heute als dunkle Materie existieren. Der Clou: Der Prozess hängt nur von den Eigenschaften der Ausdehnung und der Teilchenmasse ab - nicht davon, wie die Teilchen mit normaler Materie wechselwirken. Je nach Dauer und "Temperatur" dieser Phase ergibt sich eine enorme mögliche Spannweite: von leichten Teilchen bis hin zu exotisch schweren Kandidaten nahe der Planck-Masse.

Man kann sich den kosmischen Horizont in dieser Theorie wie den Vorhang am Rand einer Bühne vorstellen: Dahinter spielt sich etwas ab, das wir nicht sehen können - aber gelegentlich rollt ein Requisit ins Blickfeld. In der Frühzeit des Universums war diese "Bühnenkante" extrem nah, und Quantenprozesse konnten von dort einzelne "Teilchen-Requisiten" ins junge All schicken. Sobald die beschleunigte Ausdehnung endete, blieb dieser Strom aus - doch die bis dahin entstandenen Teilchen blieben erhalten. So könnte der kosmische Horizont selbst zum Geburtsort der dunklen Materie geworden sein, lange bevor es Sterne oder Galaxien gab.

Tatsächlich weniger verrückt

Auch wenn diese beiden Szenarien für Laien wie sehr gewagte Gedankenspiele wirken, beruhen sie auf Konzepten, die in der Physik gut verstanden und erprobt sind. Sie umgehen viele bisherige Ansätze, die auf hypothetische, noch nie beobachtete Teilchen setzen - und suchen stattdessen nach einer Erklärung der dunklen Materie allein auf Basis dessen, was wir über die Naturgesetze bereits wissen.

Profumos Arbeiten knüpfen an die lange Tradition in Santa Cruz an, Theorie und Beobachtung eng zu verbinden - von Beiträgen zum heute führenden Lambda-Cold-Dark-Matter-Modell, das die Mischung aus normaler Materie, kalter dunkler Materie und dunkler Energie beschreibt, bis hin zur Erforschung, wie sich im Kosmos Galaxien und großräumige Strukturen gebildet haben. Wie er selbst sagt, verbinden diese Ideen "die tiefsten Fragen der Teilchenphysik mit dem großräumigen Verhalten des Kosmos - und erweitern bekannte Theorien in neue Richtungen."

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