Dr. Federspiel studierte Physik in Freiburg. In seiner Diplomarbeit am Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik beschäftigte er sich mit Schwingungen der Sonnenmaterie in und in der Umgebung von Sonnenflecken. Anschließend promovierte er an der Universität Basel mit einer Arbeit über die extragalaktische Distanzbestimmung, die Expansionsrate und das Alter des Universums. Weitere Forschungen beschäftigten sich mit den Eigenschaften von Galaxien und Galaxienhaufen und der Hubble-Konstanten. Seit 1998 ist Dr. Federspiel leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Planetarium Freiburg. Er arbeitet dort Themen auf wie die Entstehung und Entwicklungsgeschichte des Universums, die Evolution des Lebens auf der Erde, die Rolle des Menschen im Kosmos und die Geschichte der Naturwissenschaften.

Die dunklen Geheimnisse des Universums

(Vortrag, gehalten im Waldhof, 3.Juli 2010)
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In der Astrophysik werden zwei fundamentale Fragen immer drängender, die unser bisheriges Physik-Verständnis herausfordern. Die beiden Stichworte dazu heißen dunkle Materie und dunkle Energie. Was
verbirgt sich dahinter?

Unter dem Begriff „dunkle Materie“ fasst man alles zusammen, was sich durch seine Gravitationswirkung zwar bemerkbar macht, was aber nicht mit der sichtbaren, leuchtenden Materie (z.B. Sternen oder Gas) zu identifizieren ist. So nimmt z.B. die Rotationsbewegung von Spiralgalaxien mit zunehmendem Abstand vom Zentrum nicht ab („flache Rotationskurve“), was man durch die Annahme eines sehr ausgedehnten Bereichs dunkler, unsichtbarer Materie um die Galaxie herum zu verstehen versucht. Auch bei noch größeren Einheiten, den Galaxienhaufen, stößt man durch die Analyse der Bewegung von Galaxien im Haufen auf die Gravitationswirkung von unsichtbarer Materie: Ohne dunkle Materie würden sich die Galaxienhaufen innerhalb „kurzer“ Zeit auflösen, ohne dunkle Materie wäre das Gas zwischen den Galaxien nicht so heiß wie beobachtet usw. Der Anteil der dunklen Materie liegt dabei sogar um den Faktor 10 bis 100 höher als der der leuchtenden Materie! Auch die relativ rasche Verklumpung der Materie zu Galaxien und Sternen nach dem Urknall ist nur zu verstehen, wenn dunkle Materie schneller als leuchtende verklumpt und entsprechende „Kondensationskeime“ für die leuchtende Materie bildet.

Was könnte dunkle Materie sein? „Normale“ Materie wie Planeten, braune Zwergsterne, ausgebrannte Sterne etc., die eben nicht oder kaum leuchtet? Das kann aus verschiedenen Gründen ausgeschlossen werden. Der Großteil der dunklen Materie muss anders beschaffen sein als die Materie, die wir aus unserem Alltag kennen – man spricht von nicht-baryonischer Materie, die nicht an der elektromagnetischen Wechselwirkung teilnimmt, weswegen sie unsichtbar ist. Kandidaten dafür sind Neutrinos mit Masse (das sind leichte Elementarteilchen, die in großer Zahl bei Kernreaktionen in Sternen entstehen) sowie exotische Teilchen wie WIMPs (weakly interacting massive particles) und Axionen. Die beiden letzteren sind Postulate verschiedener Theorien der Teilchenphysik, über deren Existenz das LHC-Teilchenbeschleuniger-Experiment beim CERN in Genf in Kürze Aufschluss geben könnte.

Eine ganz andere Erklärungsmöglichkeit wäre, dass das Gravitationsgesetz auf großen kosmischen Skalen modifiziert werden muss (MOND-Theorie, modified Newtonian dynamics). Diese Alternativtheorie und ihre relativistische Erweiterung TeVeS ist allerdings umstritten und vermag nicht alle beobachteten Phänomene zu erklären (z.B. Gravitationspotential im kollidierenden Galaxienhaufenpaar „bullet cluster“).

Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) Albert Einsteins als Theorie der Gravitation beschreibt das Universum und seine zeitliche Entwicklung im Großen. Die beobachtete Rotverschiebung des Galaxienlichts wird im Rahmen der ART als Expansion des Universums gedeutet. Untersucht man die Expansionsgeschichte des Universums im Detail, etwa mit Supernovae eines bestimmten Typs, die genaue Entfernungsbestimmung auf sehr große Distanzen erlauben, dann stellt man fest, dass die Expansionsbewegung des Universums sich in den letzten paar Milliarden Jahren immer mehr beschleunigt hat. Etwas treibt das Universum gegen die Gravitation immer schneller auseinander, es hat die Bezeichnung dunkle Energie bekommen. Der Anteil der dunklen Energie an der Gesamtenergiedichte des Universums beträgt ca. 74% (dunkle Materie 22%, herkömmliche baryonische Materie wie z.B. Sterne 4%). Was aber ist dunkle Energie? Die physikalische Natur ist noch völlig ungeklärt, Spekulationen reichen von der zeitlich konstanten kosmologischen Konstante Einsteins (die evtl. mit der quantenmechanischen Nullpunktsenergie des Raumes identifiziert werden kann) bis zu zeitlich variablen sogenannten Quintessenzen.

Eine alternative Erklärung versucht die beschleunigte Expansion als Scheineffekt darzustellen, der verschwindet, wenn man die im Lauf der Entwicklungsgeschichte des Universums immer mehr auftretenden Inhomogenitäten der Materieverteilung korrekt in der ART berücksichtigt (je nach lokaler Materiedichte ergeben sich verschiedene Raumkrümmungen und Eigenzeiten).

Die Physik sieht sich derzeit mit fundamentalen ungelösten Fragen konfrontiert, deren Lösung vielleicht ein ganz neues Denken erfordert. Als Lohn winkt ein neues, tieferes und einheitlicheres Verständnis der Natur.