Interview mit Prof. Dr. Josef Jochum
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Prof. Dr. Josef Jochum, 29. Februar 2008
 
"MACHO's sind out"

Prof. Dr. Josef Jochum ist Experimentalphysiker an der Universität Tübingen und entwickelt dort zusammen mit seiner Forschungsgruppe Detektoren zum Nachweis von Dunkler Materie.

Hier spricht er über die aktuelle Forschung, Nachweismethoden und Besonderheiten der Dunklen Materie und erklärt, warum wir diesem Stoff unsere Existenz verdanken.

Ein Drillingsraum-Interview, 29. Februar 2008
Von Marc Gänsler

Drillingsraum: Was ist der Unterschied zwischen normaler Materie und Dunkler Materie?

Prof. Dr. Josef Jochum: Also unter normaler Materie versteht man das, was der Mensch als normal empfindet. Es ist das Material das uns umgibt, aus dem unsere Welt besteht, was wir alltäglich gewohnt sind. Für einen Physiker ist das natürlich Materie, die aus Atomen besteht. Und diese Atome bestehen aus Atomkernen und Elektronen, und die Masse der Atome steckt im Wesentlichen im Atomkern. Unter normaler Materie versteht man dann im Wesentlichen Protonen und Neutronen. Wenn wir Sterne und Galaxien sehen, ist das in der Regel derartige normale Materie. Weil es auf den Sternen sehr heiß ist, werden die Atome dort zum Leuchten angeregt, und das ist dann das, was wir sehen. Zusätzlich können wir aus Beobachtungen der Dynamik von Galaxien schließen, dass diese normale Materie nur einen kleinen Teil der Materie im Universum ausmacht. Und das was wir nicht sehen, nennen wir eben Dunkle Materie. Dieser Begriff hat sich eingebürgert, weil wir sie eben nicht mit den Augen, quasi durch elektromagnetische Strahlung sehen können. Die Dunkle Materie macht einen sehr großen Teil der Materie

im Universum aus, und es ist für einen Wissenschaftler natürlich eine spannende Frage, woraus sie besteht. Sie besteht eben nicht aus normaler Materie, sie muss etwas anderes sein als Protonen und Neutronen, sie muss etwas anderes sein als die Atome, die wir kennen.
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Drillingsraum: Was hat die Physiker dazu veranlasst, die Existenz einer 'Dunklen Materie' zu fordern?

Prof. Dr. Josef Jochum: Das ging historisch los mit Beobachtungen der Dynamik von Galaxien, also wie sich Galaxien umeinander bewegen. In einem System das gravitativ gebunden ist, wie unser Sonnensystem zum Beispiel, besteht ein ganz enger Zusammenhang zwischen der Masse der Sonne und der Geschwindigkeit der Planeten, mit der sie sich um die Sonne bewegen. Die Umlaufzeit der Planeten um die Sonne und ihr Abstand zur Sonne stehen nach dem Keplerschen Gesetz in einem engen Zusammenhang: Wenn man den Abstand eines Planeten zur Sonne sowie seine Umlaufzeit kennt, kann man daraus die Masse der Sonne bestimmen. Und das kann man jetzt natürlich auch in größerem Maßstab machen. Etwa mit Galaxien-Clustern, das sind so die größten Gebilde die wir im Universum kennen, dort kreisen ganze Galaxien umeinander. Wenn wir nun den Abstand dieser Galaxien kennen, und messen können wie schnell sie umeinander kreisen, dann können wir daraus die Massen

bestimmen, die das System gravitativ binden. Und da stellt man eben fest, dass das viel mehr ist, als das was wir an Masse sehen. Anhand der Spektren und der Helligkeit von Sternen können wir messen, wie groß diese Sterne sind. Dadurch können wir dann bestimmen, wieviel normale, sichtbare Materie in so einem System steckt. Und das sind eben nur etwa 10-20% dessen, was man braucht um die Bewegung
 
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der Galaxien zu erklären. Diese Beobachtungen kann man seit etwa 80 Jahren machen. Seit man mit großen Teleskopen Sterne in den Nachbargalaxien auflösen kann, kennt man das Problem der Dunklen Materie, und hat auch diesen Begriff geprägt. Aber es gibt heute viele weitere Beobachtungen kosmologischer Natur, die auf die Dunkle Materie hindeuten. Zum Beispiel die Entstehung der Strukturen im Universum, also wie die Galaxien sich überhaupt geformt und gebildet haben. Das kann man nicht verstehen, ohne dass man die Dunkle Materie benötigt. Da gibt es noch viele viele andere Details, die alle in diese Richtung gehen. Das sind halt viele Beobachtungstatsachen, die da Hand in Hand gehen, und das Schöne an der Dunklen Materie ist eben, dass viele dieser offenen Fragen mit ihr plausibel erklärt werden können.

Drillingsraum: Was ist mit unserer Milchstraße, rotiert auch sie anders als berechnet? Gibt es in unserer Galaxie Dunkle Materie?

Prof. Dr. Josef Jochum: Ja, sicher. Das Problem, das wir bei anderen Galaxien sehen, dass also die äußeren Bereiche zu schnell rotieren, existiert bei uns genauso. Deshalb gehen wir davon aus, dass auch bei uns Dunkle Materie existiert. Und wir haben gute Abschätzungen dafür, dass auch hier in diesem Raum Dunkle Materie sein sollte, etwa 3 solcher WIMP-Teilchen pro Liter. Oder für einen Teilchenphysiker sind das eben ein paar keV pro Kubikzentimeter.

Spezielle Teilchendetektoren werden entscheiden, ob es auf der Erde tatsächlich Dunkle Materie gibt. Auf dem Bild sieht man 2 Kalzium-Wolframat Kristalle, die als Absorber für die Rückstoßenergie von WIMP's dienen (WIMP's sind Kandidaten für die Dunkle Materie, mehr dazu später). Quelle: CRESST
Kollaboration
 

Drillingsraum: Es könnte also sein, dass wir hier und jetzt von einer riesigen Menge Dunkler Materie umgeben sind, ohne dass wir es merken...

Prof. Dr. Josef Jochum: Ja, das ist klar. Wobei, da muss man jetzt unterscheiden, was versteht man unter riesig. Also hier bei uns überwiegt lokal natürlich die normale Materie. Im Universum spielt sie zwar eine geringere Rolle, aber bei uns hier herrscht natürlich ein riesen Konzentrationspunkt normaler Materie. Also das Volumen der Erde ist etwa von einem Pfund Dunkler Materie durchdrungen. Jetzt ist das keine riesige Menge, ja, aber im Mittel des Universums ist das dann nochmal ein paar hunderttausend mal mehr. Aber ganz klar ja, auch wir sind hier von Dunkler Materie umgeben, sonst könnten wir sie mit unseren Detektoren ja auch gar nicht nachweisen.

Drillingsraum: Galaxien können sich nur bilden, wenn genügend Masse da ist, die ausreicht um alles gravitativ zusammenzuhalten. Hätten sich ohne die Dunkle Materie überhaupt Galaxien bilden können?

Prof. Dr. Josef Jochum: Im Prinzip ja. Allerdings nicht in der Zeit, die bisher im Universum zur Verfügung stand. Das ist didaktisch zwar nicht so leicht vermittelbar, aber es ist einer der stärksten Hinweise auf Dunkle Materie überhaupt, also die Frage: Wie haben sich Strukturen im Universum gebildet? Mit der Messung des Kosmischen Mikrowellenhintergrunds haben wir ein Bild des Universums, wie die Materie 360.000 Jahre nach dem Urknall verteilt war. Seither sind etwa 13 Milliarden Jahre vergangen. Wir müssen verstehen, wie sich die Materieverteilung von damals im Laufe der Zeit so drastisch hat ändern können, dass es heute Bereiche im Universum gibt, in denen punktuell Materie herrscht, und es andere Bereiche gibt, die total leer sind. Und das ist mit normaler Materie nicht machbar. Schon damals muss die Dunkle Materie verklumpt gewesen sein, um das Ganze voran zu treiben.

Drillingsraum: Wir verdanken der Dunklen Materie also im Prinzip, dass wir da sind...

Prof. Dr. Josef Jochum: Ja, das ist richtig. Oder jetzt schon da sind.

Drillingsraum: Was bedeutet die Dunkle Materie für die Zukunft des Universums?

Prof. Dr. Josef Jochum: Ja, um das wirklich zu beantworten, muss man definitiv mal klären, was die Dunkle Energie ist. Die Dunkle Materie hat garantiert die Strukturbildung im Universum beschleunigt, so dass wir heute da sind. Wenn die Dunkle Energie diese Rolle spielt wie wir sie im Moment vermuten, mit der naheliegensten Erklärung, dass wir sagen sie sieht aus wie eine Kosmologische Konstante und macht 73% des Universums aus, dann sind wir gerade dabei, dass die Überhand nimmt. Dann wäre auch die Zukunft des Universums im Wesentlichen durch die Dunkle Energie dominiert. Es wird langweiliger, alles dehnt sich schneller aus und wird wieder dünner. Wenn es die Dunkle Materie nicht gäbe, wäre das schon lange passiert. Insofern... Es ist dann eher retrospektiv, also die Dunkle Materie hat in der Vergangenheit viel geholfen, dass wir da sind, und sie hat die Expansion des Universums etwas ausgebremst.

 
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