James Peebles und die Rolle der Dunklen Materie bei der Entwicklung des Universums

Der Nobelpreis für Physik wurde in diesem Jahr für "Beiträge zum Verständnis der Entwicklung des Universums und dem Platz der Erde im Kosmos“ vergeben. Zur einen Hälfte geht er an den kanadischen Kosmologen James Peebles für seine „theoretischen Entdeckungen in der physikalischen Kosmologie“, so das Nobel-Komitee. Mit seinen Arbeiten habe James Peebles die Kosmologie aus der Ecke der Spekulation geholt und in den Stand der Wissenschaft erhoben. Die zweite Hälfte des Preises teilen sich die beiden Schweizer Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz für die „Entdeckung eines Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist“.

Dass das Universum mit dem Urknall begann, bezweifelt wohl niemand mehr. Was hingegen weniger bekannt ist: Wie entstanden all die Sterne, unsere Milchstraße und ihre unzähligen Schwestern, die wir heute im gesamten Universum beobachten? In seinen mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physik ausgezeichneten Arbeiten hat sich James Peebles, der als emeritierter Professor nach wie vor an der Princeton University forscht, jener Epoche des Universums gewidmet, in der das Universum Gestalt annahm. Nach vielen anderen wichtigen Arbeiten zur Kosmologie fand er 1982 schließlich heraus, dass sich Galaxien und Galaxienhaufen nur mithilfe von sogenannter 'Dunkler Materie’ entwickeln konnten. Diese Form der Materie wechselwirkt mit gewöhnlicher Materie einzig über die Schwerkraft, ist aber unsichtbar. Sobald sich Dunkle Materie im frühen Universum ein wenig verdichtete, zog die gewöhnliche Materie nach. Während das Weltall weiter expandierte, konnte sich so an diesen Stellen rasch mehr und mehr gewöhnliche Materie ansammeln und die ersten Galaxien und Sterne bilden.

„Es war das Verdienst Georges Lemaîtres, aus den Einstein’schen Feldgleichungen und der Fluchtbewegung der Galaxien auf den Urknall unseres heutigen kosmologischen Modells zu schließen. Es ist das Verdienst von James Peebles, uns ein Verständnis von der Entstehung und Entwicklung kosmischer Strukturen vermittelt zu haben“, sagt Matthias Bartelmann, Professor am Institut für theoretische Physik der Universität Heidelberg.

Die endgültige Bestätigung des Urknallmodells lieferte eine Zufallsentdeckung im Jahr 1964. Damals empfingen die Physiker Arno Penzias und Robert Wilson mit ihren Antennen der Bell-Laboratories eine diffuse Mikrowellenstrahlung von rund 3 Kelvin, die aus allen Richtungen des Universums zu kommen schien. Tatsächlich war diese Strahlung nichts weiter als der Überrest der Epoche wenige hunderttausend Jahre nach dem Urknall, der Kinderstube des Universums. Rund 380 000 Jahre nach seinem Beginn war das Universum soweit expandiert und abgekühlt, dass die Atomkerne – vornehmlich Protonen – nun die freien Elektronen einfangen konnten. Damit wurde das Universum durchsichtig, also durchlässig für elektromagnetische Strahlung, die wir heute als Echo des Urknalls beobachten. Für ihre Entdeckung wurden Penzias und Wilson schließlich 1978 mit dem Nobelpreis geehrt.

Nach dieser Entdeckung nahm die theoretische Entwicklung des kosmologischen Modells ihren Lauf. James Peebles arbeitete die Modelle mit analytischen wie numerischen Methoden weiter dahingehend aus, um beobachtbare Vorhersagen treffen zu können. Was Physiker schon damals wussten: Zu dieser frühen Epoche sollten sich in der nahezu gleichmäßig verteilten Urmaterie quasi Kondensationskeime gebildet haben, die die Grundlage zur weiteren Strukturbildung unseres heutigen Universums lieferten: für Sterne, Galaxien und Galaxiencluster. Nach dem damaligen Stand der Dinge hätten diese Dichteschwankungen aber so groß sein müssen, dass sie in der Hintergrundstrahlung als Schwankungen im Bereich von Millikelvin hätten sichtbar sein müssen. In Beobachtungen, die man in den 1980ziger Jahren dazu durchführte, war aber nichts davon zu sehen.

Ein wesentliches Verdienst von Peebles war es dabei, die sogenannte kalte Dunkle Materie in diese Modelle einzubinden. Diese Form von Materie wechselwirkt nicht mit Licht, mit gewöhnlicher Materie hingegen über die Schwerkraft. Wird die Strukturbildung im Wesentlichen von dieser Dunklen Materie bestimmt, reichen winzige Dichteschwankungen in der frühen Epoche des Universums aus, um später trotz weiterer Expansion des Universums Galaxien zu bilden und die Strukturen des Universums hervorzurufen, wie wir sie heute kennen.

Als der kosmische Mikrowellenhintergrund erstmals genauer mit dem US-amerikanischen Satelliten COBE (Cosmic Background Explorer, 1989–1993) unter der Ägide des US-Physikers John Mather beobachtet wurde, bestätigten die Messungen zunächst die zu erwartende Strahlungsverteilung bei einer Hintergrundtemperatur von 2,7 Kelvin und ebenso winzige Schwankungen in der räumlichen Strahlungsverteilung wie Peebles sie vorhergesagt hatte. Dies brachte John Mather und seinem Kollegen George Smoot, der für die Instrumentierung zur Messung der Temperaturschwankungen mit COBE verantwortlich war, den Physiknobelpreis 2006 ein.

Erstaunlich genau sagten Peebles Modelle auch die späteren Beobachtungen vorher, die mit dem NASA-Satelliten WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) von 2001 bis 2010 und vor allem durch die europäische Mission Planck von 2009 bis 2013 mit wesentlich genaueren Instrumenten durchgeführt wurden. Diese waren so empfindlich, dass sie Temperaturänderungen selbst im Mikrokelvinbereich aufspüren konnten. Die Beobachtungen bestätigen, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall begann, dann eine kurze Phase der besonders schnellen Expansion durchlief, die sogenannte Inflation. Vor allem zeigten die Daten, dass das Universum gerade einmal zu fünf Prozent aus gewöhnlicher Materie besteht und zu 26 Prozent aus Dunkler Materie. Den Rest steuert die sogenannte Dunkle Energie bei, die für die derzeit wieder beschleunigte Expansion des Universums zuständig sein soll.

Woraus sich genau Dunkle Materie zusammensetzt, versuchen Forscher bis heute herauszufinden. Noch viel weniger im Klaren sind sich die Kosmologen darüber, was die Dunkle Energie sein könnte. Wer diese Probleme löst, dem dürfte auch ein Nobelpreis gewiss sein.