IEKP-KA/2013-8 - Institut für Experimentelle Kernphysik - KIT

10 2. Physikalischer Hintergrund
im Universum ausmacht. Erste Hinweise auf diese Diskrepanz wurden in den 1930er Jahren
von Fritz Zwicky gegeben, der eine zusätzliche nicht sichtbare Materie postulierte, um die
Stabilität von Galaxienhaufen zu erklären [10]. Anhaltspunkte lassen sich auch aus den
Rotationskurven von Galaxien ziehen. Nach den Gesetzen der newtonschen Mechanik,
nehmen diese für einen Körper mit der Masse M in einer Massenverteilung in einem
Zentrum m, wie man sie anhand der sichtbaren Galaxiescheibe erwarten würde, aus
mit dem Orbitalradius r nach
mv 2
r
v =
= G · mM
r 2 (2.6)
√
GM/r (2.7)
ab. Beobachtungen zeigen jedoch, dass sich Rotationsgeschwindigkeiten nahezu konstant
mit dem Orbitalradius verhalten. Der Verlauf der Rotationsgeschwindigkeiten aus Messungen
an der Dreiecksnebel genannten Galaxie M33, sowie die Erwartung nach der newtonschen
Mechanik sind in Abbildung 2.6 gezeigt. Um dieses Verhalten zu erklären, benötigt
Abbildung 2.6.: Rotationsgeschwindigkeit von Sternen einer Galaxie mit deren Orbitalradius
(grün) sowie die Erwartung aus den Keplerschen Gesetzen (orange)
[11].
man eine Massenverteilung nach ϱ ∼ r −2 und damit eine Verteilung der überwiegenden
Masse im sogenannten Halo der Galaxie [4]. Auch auf größeren Skalen lassen sich Hinweise
finden, dass im Universum mehr Materie als die sichtbare, in Form von Gaswolken
und Sternen, vorhanden ist. Beispielsweise aus dem Gravitationslinseneffekt, der die Folge
der Ablenkung von Licht an großen Mengen Materie sichtbar macht. All diese Hinweise
sprechen für ein Vorhandensein sogenannter Dunkler, weil nicht-sichtbarer, Materie im
Universum.
Um die tatsächliche Menge an Dunkler Materie abzuschätzen ist man auf kosmologische
Modelle angewiesen. Die für die Entwicklung des Kosmos bevorzugte Theorie ist das Λ-
CDM-Modell. Λ steht dabei für eine kosmologische Konstante, die die beschleunigte Expansion
des Universums erklären soll, und CDM für kalte Dunkle Materie 1 . Dieses Modell
ist gut durch Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung und der Häufigkeit der
Elemente im Kosmos belegt. Die Voraussage der Materieverteilung durch das Λ-CDM-
Modell ist in Abbildung 2.7 dargestellt. Demnach entfällt 23% der Materie im Kosmos
auf die Dunklen Materie. Baryonische Materie in Form von Atomen macht lediglich 4, 6%
aus. Ein Großteil von 72% entfällt auf die kosmologische Konstante, die auch als Dunkle
Energie bezeichnet wird und deren Ursprung noch unklar ist.
1 engl.: Cold Dark Matter
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