Galaxien in unserem Universum scheinen ein unmögliches Kunststück zu vollbringen. Sie rotieren mit einer solchen Geschwindigkeit, dass die von ihrer beobachtbaren Materie erzeugte Schwerkraft sie unmöglich zusammenhalten kann; sie hätten sich längst selbst zerreißen müssen. Dasselbe gilt für Galaxien in Haufen, was die Wissenschaftler zu der Annahme veranlasst, dass etwas am Werk ist, das wir nicht sehen können. Sie glauben, dass etwas, das wir noch nicht direkt nachweisen können, diesen Galaxien zusätzliche Masse verleiht und die zusätzliche Schwerkraft erzeugt, die sie brauchen, um intakt zu bleiben. Diese seltsame und unbekannte Materie wurde „dunkle Materie“ genannt, da sie nicht sichtbar ist.
Dunkle Materie
Im Gegensatz zu normaler Materie interagiert die dunkle Materie nicht mit der elektromagnetischen Kraft. Das heißt, sie absorbiert, reflektiert oder emittiert kein Licht und ist daher extrem schwer zu erkennen. Tatsächlich konnten Forscher die Existenz dunkler Materie nur aus der Gravitationswirkung ableiten, die sie auf die sichtbare Materie zu haben scheint. Die dunkle Materie scheint die sichtbare Materie im Verhältnis sechs zu eins zu überwiegen und macht etwa 27 % des Universums aus. Eine ernüchternde Tatsache: Die Materie, die wir kennen und aus der alle Sterne und Galaxien bestehen, macht nur 5 % des Inhalts des Universums aus! Aber was ist dunkle Materie? Eine Idee ist, dass sie „supersymmetrische Teilchen“ enthalten könnte – hypothetische Teilchen, die Partner der bereits bekannten Teilchen des Standardmodells sind. Experimente am Large Hadron Collider (LHC) könnten direktere Hinweise auf die dunkle Materie liefern.
Viele Theorien besagen, dass die Teilchen der dunklen Materie leicht genug wären, um am LHC erzeugt zu werden. Würden sie im LHC erzeugt, würden sie unbemerkt durch die Detektoren entkommen. Allerdings würden sie Energie und Impuls mit sich führen, so dass Physiker aus der Menge an Energie und Impuls, die nach einer Kollision „fehlt“, auf ihre Existenz schließen könnten. Kandidaten für dunkle Materie tauchen häufig in Theorien auf, die eine Physik jenseits des Standardmodells vorschlagen, z. B. Supersymmetrie und zusätzliche Dimensionen. Eine Theorie geht von der Existenz eines „Hidden Valley“ aus, einer Parallelwelt aus dunkler Materie, die mit der uns bekannten Materie nur wenig gemein hat. Sollte sich eine dieser Theorien als wahr erweisen, könnte sie den Wissenschaftlern helfen, die Zusammensetzung unseres Universums und insbesondere den Zusammenhalt der Galaxien besser zu verstehen.
Dunkle Energie
Die dunkle Energie macht etwa 68 % des Universums aus und scheint mit dem Vakuum im Raum verbunden zu sein. Sie ist im gesamten Universum gleichmäßig verteilt, nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit – mit anderen Worten, ihre Wirkung wird bei der Ausdehnung des Universums nicht abgeschwächt. Die gleichmäßige Verteilung bedeutet, dass die dunkle Energie keine lokalen Gravitationswirkungen hat, sondern eine globale Wirkung auf das Universum als Ganzes. Dies führt zu einer abstoßenden Kraft, die die Expansion des Universums tendenziell beschleunigt. Die Expansionsrate und ihre Beschleunigung können durch Beobachtungen auf der Grundlage des Hubble-Gesetzes gemessen werden. Diese Messungen haben zusammen mit anderen wissenschaftlichen Daten die Existenz der dunklen Energie bestätigt und liefern eine Schätzung, wie viel von dieser geheimnisvollen Substanz existiert.