Alles, woraus Sterne, Gas, Staub und Planeten bestehen, also die gewöhnliche Materie, macht nur rund fünf Prozent des Energiegehalts im Universum aus. Der Rest verteilt sich auf zwei Größen, deren Namen vor allem eines ausdrücken: Unwissen. Dunkle Materie und dunkle Energie werden oft in einem Atemzug genannt, beschreiben aber verschiedene Phänomene. Gemeinsam ist ihnen nur, dass man sie bisher ausschließlich über ihre Wirkung auf Sichtbares kennt.

Dunkle Materie und dunkle Energie: zwei verschiedene Probleme

Dunkle Materie verhält sich wie zusätzliche Masse. Sie zieht an, hält Galaxien und Galaxienhaufen zusammen und formt die großräumige Struktur des Kosmos. Licht sendet sie nicht aus, sie absorbiert und reflektiert es auch nicht: Nach allem, was bekannt ist, unterliegt sie nicht der elektromagnetischen Wechselwirkung. Dunkle Energie wirkt dagegen auf das Universum als Ganzes. Sie ist gleichmäßig im Raum verteilt, verdünnt sich bei der Expansion nicht wie Materie und wirkt global wie eine abstoßende Kraft, die die Ausdehnung des Kosmos beschleunigt. Lokale Gravitationseffekte, etwa innerhalb einer Galaxie, hat sie nicht.

Die Anteile stammen vor allem aus der Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung durch den ESA-Satelliten Planck. Dessen Auswertung von 2018 ergibt im kosmologischen Standardmodell ΛCDM einen Materieanteil von 31,5 ± 0,7 Prozent. Davon entfallen rund 5 Prozentpunkte auf gewöhnliche Materie und etwa 26 auf dunkle Materie; die übrigen knapp 69 Prozent schreibt das Modell der dunklen Energie zu. CERN und NASA nennen gerundet 5, 27 und 68 Prozent. Wichtig: Diese Zahlen gelten innerhalb des Modells, mit dem die Daten ausgewertet werden.

Die Belege für dunkle Materie

Die Hinweise kommen aus sehr unterschiedlichen Beobachtungen – gerade das macht sie belastbar.

  • Galaxienhaufen und Rotationskurven: Fritz Zwicky stellte 1933 fest, dass sich Galaxien im Coma-Haufen zu schnell bewegen, als dass die sichtbare Masse sie zusammenhalten könnte. In den 1970er-Jahren zeigte Vera Rubin, dass auch Sterne am Rand von Spiralgalaxien zu schnell kreisen.
  • Gravitationslinsen: Masse lenkt Licht ab. Aus der Verzerrung ferner Hintergrundgalaxien lässt sich die Massenverteilung in Galaxienhaufen kartieren – auch dort, wo nichts leuchtet.
  • Bullet-Cluster: Im Galaxienhaufen 1E 0657-56 sind zwei Haufen kollidiert. Das heiße, im Röntgenlicht leuchtende Gas, das mehr Masse enthält als alle Sterne der Galaxien zusammen, wurde dabei abgebremst. Die über den Linseneffekt gemessene Masse blieb davon getrennt. Laut der 2006 vorgestellten Analyse lässt sich das mit Theorien, die dunkle Materie durch veränderte Schwerkraft ersetzen wollen, nicht erklären.
  • Kosmische Hintergrundstrahlung: Aus den Temperaturmustern im ältesten Licht des Universums bestimmt Planck die Dichte der gewöhnlichen und der dunklen Materie jeweils auf etwa ein Prozent genau. Das Ergebnis: gut fünfmal so viel dunkle wie gewöhnliche Materie.
Diagramm der Rotationskurve der Galaxie M 33: Die Messpunkte steigen nach außen weiter an, während die Beiträge von Sternen und Gas abfallen; ein Halo aus dunkler Materie gleicht die Differenz aus

Bild: Rotationskurve der Galaxie M 33. Die Messpunkte (schwarz) bleiben nach außen hoch, die Beiträge von Sternen (blau) und Gas (grün) fallen ab; im Modell liefert ein Halo aus dunkler Materie (rot) den Großteil. Vallastro, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Die Belege für dunkle Energie

1998 stießen zwei Forschungsteams, geleitet von Saul Perlmutter, Brian Schmidt und Adam Riess, auf ein unerwartetes Ergebnis: Ferne Supernovae vom Typ Ia erschienen lichtschwächer, als es ihre Rotverschiebung erwarten ließ. Die Ausdehnung des Universums beschleunigt sich. Dafür erhielten die drei 2011 den Physik-Nobelpreis. Laut NASA setzte die beschleunigte Expansion etwa neun Milliarden Jahre nach dem Urknall ein.

Ein zweiter, unabhängiger Maßstab sind die baryonischen akustischen Oszillationen (BAO). Schallwellen im heißen Plasma des jungen Universums haben in der Verteilung der Galaxien einen bevorzugten Abstand hinterlassen. Wer diesen Maßstab in verschiedenen kosmischen Epochen misst, rekonstruiert die Expansionsgeschichte. Zusammen mit der Hintergrundstrahlung ergeben Supernovae und BAO ein konsistentes Bild, in dem dunkle Energie gut zwei Drittel ausmacht.

Die Suche nach Teilchen: bisher ohne Treffer

Woraus dunkle Materie besteht, ist unbekannt. Zu den meistdiskutierten Kandidaten gehören WIMPs, hypothetische schwere und nur schwach wechselwirkende Teilchen, sowie Axionen, sehr leichte Teilchen, die 1977 ursprünglich zur Lösung eines Problems der starken Wechselwirkung vorgeschlagen wurden. Auch urzeitliche schwarze Löcher werden diskutiert. Am Large Hadron Collider des CERN suchen Experimente nach Teilchen, die nach einer Kollision unsichtbar entkommen und sich nur durch fehlende Energie und fehlenden Impuls verraten.

Direktnachweis-Experimente warten darauf, dass ein Teilchen aus dem Halo der Milchstraße an einem Atomkern streut. Eines der empfindlichsten ist LUX-ZEPLIN (LZ) mit sieben Tonnen flüssigem Xenon. Die 2025 veröffentlichte Auswertung von 4,2 Tonnenjahren Messzeit fand keinen Überschuss über den erwarteten Untergrund. Für WIMPs mit einer Masse von 40 Gigaelektronenvolt schließt sie Wechselwirkungsquerschnitte oberhalb von 2,2 × 10⁻⁴⁸ Quadratzentimetern aus (90 Prozent Konfidenz). Jede solche Nullmessung engt die Möglichkeiten ein, ein Nachweis steht weiter aus.

Dunkle Energie: konstant oder veränderlich?

Die einfachste Erklärung für dunkle Energie ist Einsteins kosmologische Konstante, eine Energie des leeren Raums. Theoretische Abschätzungen dieser Vakuumenergie passen allerdings überhaupt nicht zum beobachteten Wert, bekannt als Problem der kosmologischen Konstante. Alternativen sind ein Feld, das sich mit der Zeit verändert (Quintessenz), oder eine veränderte Gravitationstheorie auf kosmischen Skalen.

Für Diskussionen sorgen Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) am Mayall-Teleskop auf dem Kitt Peak in Arizona. Die im März 2025 vorgestellte Auswertung von drei Jahren BAO-Messungen an mehr als 14 Millionen Galaxien und Quasaren ist für sich genommen mit dem Standardmodell vereinbar. In Kombination mit der Hintergrundstrahlung bevorzugt sie aber eine zeitlich veränderliche dunkle Energie mit 3,1 Standardabweichungen (Sigma), mit zusätzlichen Supernova-Daten je nach Katalog mit 2,8 bis 4,2 Sigma.

Das ist ein Hinweis, keine Entdeckung: Als Schwelle für eine Entdeckung gelten in der Physik 5 Sigma. Wie empfindlich der Befund auf Details reagiert, zeigt eine Neuauswertung der Supernovae des Dark Energy Survey mit verbesserter Kalibrierung, die 2026 in den „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ erschienen ist. In Kombination mit Hintergrundstrahlung und DESI sank die Signifikanz damit von 4,2 auf 3,2 Sigma; die Autoren sprechen nur noch von einer schwachen Präferenz für eine veränderliche dunkle Energie.

Was Euclid beitragen soll

Hier setzt das ESA-Weltraumteleskop Euclid an, das im Juli 2023 gestartet ist und vom Lagrange-Punkt L2 aus beobachtet. Über sechs Jahre soll es rund ein Drittel des Himmels kartieren und Milliarden Galaxien bis in zehn Milliarden Lichtjahre Entfernung erfassen. Die Kamera VIS misst die Formen von mehr als einer Milliarde Galaxien. Aus ihren winzigen Verzerrungen durch schwache Gravitationslinsen entsteht eine dreidimensionale Karte der Materie, der dunklen eingeschlossen. Das Infrarotinstrument NISP liefert Spektren und Helligkeiten, aus denen sich Rotverschiebungen und damit Entfernungen ergeben. So lässt sich verfolgen, wie kosmische Strukturen gewachsen sind und wie sich die Expansion entwickelt hat.

Die großen Kosmologie-Auswertungen stehen noch aus. Nach dem Zeitplan der ESA soll im November 2026 ein erster großer Datensatz über rund 1900 Quadratgrad erscheinen; die Auswertungsprodukte für schwache Gravitationslinsen und Galaxienverteilung folgen mit der vollständigen ersten Datenveröffentlichung Mitte 2027. Ergänzend ist seit Ende August 2026 NASAs Weltraumteleskop Nancy Grace Roman unterwegs, das unter anderem die Verteilung der dunklen Materie kartieren soll; erste Bilder werden für Anfang 2027 erwartet.

Unterm Strich: Dass es dunkle Materie und dunkle Energie in irgendeiner Form gibt, stützen viele voneinander unabhängige Beobachtungen. Was sie sind, weiß bislang niemand.

Quellen

Bildnachweis