Ein- bis vierhundert Milliarden Sterne ziehen um das Herz unserer Milchstraße. Sie formen eine scheibenförmige Insel im Kosmos, mit bis zu 200.000 Lichtjahren Durchmesser. Einer dieser Sterne ist unsere Sonne. Sie braucht etwa 240 Millionen Jahre für einen kompletten Rundflug um das galaktische Zentrum. Die 30 Mio. Lichtjahre entfernte Galaxie NGC 6744 hält uns gewissermaßen den Spiegel vor. Sie ist unserer Milchstraße sehr ähnlich. Milchstraßen lieben Gesellschaft. Im Coma-Haufen scharen sich an die tausend Galaxien zusammen.

Ein neuer Begriff

1933 nimmt Fritz Zwicky diese Gruppe im Sternbild "Haar der Berenike" (lat.: Coma Berenices) genauer unter die Lupe. Zwicky ist 1898 als Sohn eines Schweizer Kaufmanns im bulgarischen Varna geboren worden, wuchs bei seinen Großeltern im Kanton Glarus auf, studierte in Zürich und wanderte 1925 in die USA aus. Wie er feststellt, sind die einzelnen Galaxien im Coma-Haufen überraschend rasant unterwegs.

Zwicky veröffentlicht seine Berechnungen im Schweizer Wissenschaftsjournal "Helvetica Physica Acta". Er macht darin auf Tempounterschiede im Coma-Haufen von bis zu 7 Millionen km/h aufmerksam. Aus der Anzahl der Galaxien und deren durchschnittlicher Leuchtkraft kalkuliert er die Gesamtmasse des Haufens: Doch die 800 Milliarden Sonnenmassen reichen nicht aus, um die rasenden Galaxien aufzuhalten. Deshalb "müsste also das Coma-System mit der Zeit auseinanderfliegen", schreibt Zwicky im Jahr 1933. Es sei denn, man steigerte seine Gesamtmasse um mindestens das Vierhundertfache. Was allerdings bedeutet, "dass dunkle Materie in sehr viel größerer Dichte vorhanden ist als leuchtende Materie". "Dunkle Materie" - ein neuer Begriff ist geboren!

1936 stößt Sinclair Smith beim Virgo-Galaxienhaufen in der Jungfrau auf eine ähnliche Problematik. Manche Astronomen betrachten derartige Haufen in Folge als sehr kurzlebige Gebilde, die man gerade im Stadium der Auflösung sieht. Andere hingegen schließen sich Zwickys Interpretation an. Dennoch bleibt seine nicht sichtbare "Dunkle Materie" ein Randproblem der Galaxienforschung.

Vera Rubin, Fritz Zwicky : "Mutter" und "Vater der Dunklen Materie". - © Linda Davidson/The Washington Post (l.); Heinz-Jürgen Göttert/dpa
Vera Rubin, Fritz Zwicky : "Mutter" und "Vater der Dunklen Materie". - © Linda Davidson/The Washington Post (l.); Heinz-Jürgen Göttert/dpa

Vera Cooper wurde am 23. Juli 1928 in Philadelphia geboren. Zehn Jahre danach übersiedelte ihre Familie nach Washington. Vom Fenster seines Zimmers aus verfolgt das Mädchen nun fasziniert mit, wie sich der Große Bär, die Andromeda und andere Sternbilder um den nördlichen Himmelspol drehen. In der Bibliothek stöbert Vera nach Astronomiebüchern, daheim setzt sie ein kleines Linsenfernrohr zusammen. Ihr Vater fördert das Interesse an der Naturwissenschaft.

Vera geht ans Vassar College. Es ist 1861 in Poughkeepsie, New York, gegründet worden; speziell für Frauen. Hier hat einst Maria Mitchell gelehrt, die erste US-Berufsastronomin. In den Sommerferien lernt Vera den Physikstudenten Robert Rubin kennen. Nach der Hochzeit lebt sie mit ihm inIthaca, New York. Dort studiert sie bei den späteren Physik-Nobelpreisträgern Richard Feynman und Hans Bethe. Veras Master-Arbeit macht den aus Russland geflohenen Urknalltheoretiker George Gamow auf sie aufmerksam.

Er wird Veras Doktorvater. Vera Rubin liebt die astronomische Forschung. Als Mutter kommt sie aber kaum noch dazu. Trifft das neue "Astrophysical Journal" ein, ist ihr zum Weinen. Schließlich arbeitet sie Teilzeit.

Ihre vier Kinder werden später in Astronomie, Geologie oder Mathematik promovieren. 1965 erhält Vera Rubin einen Job an der Carnegie Institution of Washington. Hier, im Department of Terrestrial Magnetism, konstruiert Kent Ford ein außergewöhnliches elektronisches Zusatzgerät für das Teleskop: Damit lassen sich auch schwache Spektren aufnehmen.

"Andromedanebel"

Fern der Stadt erblickt das freie Auge einen matten Nebelfleck im Sternbild Andromeda. Der "Andromedanebel", Katalogbezeichnung "M31", ist eine Spiralgalaxie in 2,5 Millionen Lichtjahren Distanz. Sie ähnelt unserer eigenen Milchstraße. Rubin und Ford richten das 2,1 Meter weite Spiegelteleskop des Kitt-Peak-Nationalobservatoriums in Arizona auf M31. Sie wollen die Rotationsgeschwindigkeiten innerhalb dieser Galaxie bestimmen. Allerdings fällt es schwer, aussagekräftige Spektren der fernen Sterne einzufangen. Deshalb konzen-triert man sich auf die rosafarbigen Wasserstoffwolken, die in den sternenreichen Spiralarmen von M31 kreisen.

Im Spektrum besetzt jede Spektrallinie einen für sie typischen Platz; so auch die helle rote Emissionslinie des angeregten Wasserstoffs, die H-alpha-Linie (Wellenlänge: 656,28 Nanometer). Bewegt sich die Wolke auf uns zu, wird ihr Signal gestaucht; die im Spektrographen registrierte Wellenlänge sinkt. Schießt die Wasserstoffwolke von uns weg, streckt sich das Signal - die Wellenlänge steigt. Je höher dieser Geschwindigkeitsanteil, desto mehr verschiebt sich auch die H-alpha-Linie im Spektrographen.

Ursache ist ein 1842 vom Österreicher Christian Doppler postulierter Effekt. Mit Hilfe dieses Doppler-Effekts berechnen Rubin und Ford schließlich die Umlaufgeschwindigkeiten von 67 Wasserstoffwolken in M31. Sie stehen zwischen 10.000 und 80.000 Lichtjahre von dessen Mitte ab.

An sich sollten Wolken und Sterne ähnlich um das Zentrum ihrer Milchstraße ziehen wie unsere Planeten um die Sonne: die inneren mit hohem, die äußeren mit immer geringerem Tempo. In unserer eigenen Milchstraße wollen die Sterne dieser gestrengen Regel nicht recht folgen. Wie Rubin und Ford nun herausfinden, sinken auch die Rotationsgeschwindigkeiten im Andromedanebel nach außen hin nur wenig ab. Sie pendeln sich dort bei etwa 720.000 km/h ein. Die äußeren Gaswolken bzw. Sterne von M31 sind damit viel zu schnell unterwegs.

Die beiden Forscher stellen ihren Fund im "Astrophysical Journal" vom Februar 1970 vor. Titel: "Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions." Rubin wiederholt solche Messungen später an mehreren Dutzend Galaxien - es werden schließlich über 200 sein. Offenbar besitzen die Sterneninseln im Schnitt zehnmal mehr Anziehungskraft und damit Masse, als man sehen kann. Ist Zwickys hypothetische "Dunkle Materie" auch dort am Werk?

Im Herzen von Galaxien hocken äußerst massereiche SchwarzeLöcher. Mitunter stürzt extrem viel Materie in Richtung dieses Lochs. Sie verdichtet, reibt und erhitzt sich in dessen Umkreis enorm. Der Kern einer solchen Sterneninsel strahlt überaus hell auf. Astronomen sprechen dann von einem "Quasar". 1979, zu Albert Einsteins 100. Geburtstag, stößt man am Kitt-Peak-Observatorium auf zwei Quasare im Sternbild Großer Bär. Sie weilen sehr eng beisammen. Ihre Spektren ähneln einander wie eineiige Zwillinge. Offenbar hat man es mit zwei Bildern von ein und demselben, viele Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar zu tun. Ein näheres, massereiches Objekt im Vordergrund spaltet dessen Licht auf; es wirkt als "Gravitationslinse".

Einstein hat solche Phänomene vorhergesagt. Da er nur Einzelsterne als "Linsen" in Betracht zog, hielt er den Effekt im fernen Kosmos jedoch für unmessbar klein. Fritz Zwicky widersprach ihm: Die Masse einer ganzen Galaxie könnte sehr wohl ausreichen, um eine Gravitationslinse zu bilden. Zwicky behält recht, erlebt diesen Triumph aber nicht mehr.

Die Stärke des Linseneffekts verrät die Masse des jeweiligen Vordergrundobjekts. Abermals zeigt sich: Galaxien besitzen viel mehr Masse als gedacht. Offenbar werden sie von mächtigen, kugeligen Halos aus unsichtbarer Dunkler Materie eingehüllt. In Summe könnten sogar 85 Prozent der Masse im Kosmos aus Dunkler Materie bestehen. Die im Coma-Haufen entdeckte Galaxie Dragonfly 44 scheint fast nur daraus geformt zu sein. Obwohl sie ähnlich viel Masse wie unsere Milchstraße besitzt, sendet sie kaum Licht aus.

Materie mit Tarnkappe

Wissenschaft ist konservativ. Sie versucht, neue Beobachtungen zunächst mit vertrauten Modellen zu erklären. Anfangs verdächtigt man daher bekannte, zum Teil lichtschwache oder gar lichtlose Objekte, dieser "Dunkelstoff" zu sein: Vielleicht gibt es ja sehr viel mehr solcher "MACHOs" (Massive Compact Halo Objects) als gedacht - etwa Weiße oder Braune Zwergsterne. Auch Schwarze Löcher könnten unmittelbar nach dem Urknall zuhauf entstanden sein (eine Hypothese, die bis heute nicht ganz vom Tisch ist).

Andere Astronomen schrauben ab 1983 an der fast dreihundert Jahre zuvor veröffentlichten Gravitationstheorie Isaac Newtons. Wie die Modifizierte Newtonsche Dynamik ("MOND") spekuliert, funktioniere die Schwerkraft in großen, galaktischen Distanzen anders als im Nahbereich: Das könnte uns die Existenz der Dunklen Materie nur vorgaukeln. Für das Gros der Wissenschafter ist sie aber real: Die Dunkle Materie ginge mit der normalen keine - oder nur extrem schwache - Wechselwirkungen ein und mache sich bloß durch ihre Anziehungskraft bemerkbar. Sie sei völlig transparent, sende weder Licht aus, noch verschlucke sie welches. Bestehen soll sie nach Meinung der meisten Forscher aus bisher unentdeckten Elementarteilchen. Diese wären aber nicht Teil der uns vertrauten, sogenannten "baryonischen Materie".

Nahe L’Aquila, tief unter den Abruzzen, warten seit 2007 zunehmend größere Tanks darauf, endlich von so einem Teilchen getroffen zu werden. Ihr Inhalt: flüssiges Xenon. Im Laboratori nazionali del Gran Sasso fahndet man damit nach den hypothetischen "WIMPs" (sogenannten Weakly interacting massive particles). Sie sollen jeweils die zehn- bis tausendfache Masse eines Wasserstoffkerns besitzen. Andere Detektoren wiederum wollen die ultraleichten Axionen aufspüren. Es gibt noch weitere hypothetische Kandidaten.

Nichts davon wurde bisher nachgewiesen oder im Teilchenbeschleuniger erzeugt. Vera Rubin starb Ende 2016. In den Nachrufen rühmte man sie häufig als "Mutter der Dunklen Materie", Fritz Zwicky mitunter als deren "Vater". Die beiden gaben der Wissenschaft ein schwieriges Rätsel auf. Wer es löst, hat exzellente Chancen auf den Nobelpreis für Physik.