Entstand dunkle Materie im Kosmos durch frühe Gravitationswellen?

Von Markus Brauer

Die Existenz von Gravitationswellen sagte der deutsche Physiker Albert Einstein bereits im Jahr 1916 im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorher.

Ähnlich wie bei der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nimmt man an, dass der Urknall eine Flut winziger Verzerrungen der Raumzeit verursacht hat, die noch immer das Universum ausfüllt und Informationen über die Zeit unmittelbar nach dem Urknall mit sich trägt.

Zufällig verteilte Hintergrundstrahlung im Universum

Diese frühen Gravitationswellen treten als eine stochastische – also zufällig verteilte – Hintergrundstrahlung auf. Sie ist vergleichbar mit der Überlagerung von verschieden großen und aus unterschiedlichen Richtungen kommenden Wellen, die sich auf der Oberfläche eines Teiches überlagern.

Die Physiker Joachim Kopp von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Azadeh Maleknejad von der britischen Universität Swansea vermuten, dass Gravitationswellen könnten für die Produktion von Dunkler Materie in den frühen Phasen der Entstehung unseres Universums verantwortlich sein könnten.

Ihre Studie, die in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht worden ist, präsentiert neuartige Berechnungen, die einen neuen Mechanismus zur Entstehung von Dunkler Materie durch stochastische Gravitationswellen untersuchen.

New theoretical work suggests primordial stochastic gravitational waves in the early universe could have generated light fermions that later acquired mass and now constitute dark matter. https://t.co/zNZ4XD3lYwhttps://t.co/zjjtSSxXRz — Phys.org (@physorg_com) April 1, 2026

Signale aus der Zeit kurz nach dem Urknall

Diese Signale stammen aus der Zeit kurz nach dem Urknall. Ihre Untersuchung kann Hinweise auf dunkle Materie liefern. Sie gelten als direkter Blick in die Phase unmittelbar nach dem Urknall, da Gravitationswellen im Gegensatz zu Licht ungehindert durch das frühe Universum reisen konnten.

Damit tragen diese Wellen zur Antwort auf eine grundlegende Frage der Teilchenphysik bei. Planeten, Sterne, sogar das Leben auf der Erde. Sie setzen sich aus sichtbaren Teilchen zusammen. Diese Art Materie macht jedoch nur etwa vier Prozent unseres Universums aus.

Dunkle Materie und dunkle Energie

Der überwiegende Teil ist unsichtbar und besteht aus dunkler Materie und dunkler Energie. Dunkle Materie macht etwa 23 Prozent unseres Universums aus. Astrophysikalische Beobachtungen bestätigen, dass dunkle Materie das gesamte Universum durchdringt und Galaxien sowie die größten bekannten Strukturen im Kosmos bildet.

Allerdings weiß man nicht, aus welchen Teilchen sie genau besteht. Eine Vielzahl an Theorien und Experimenten suchen nach einer Antwort auf diese Frage.

Schwingung der Raumzeit

Gravitationswellen sind eine Art Schwingung der Raumzeit, die typischerweise durch einige der intensivsten und energiereichsten Prozesse im Universum verursacht wird, beispielsweise wenn zwei Schwarzer Löcher oder Neutronensterne verschmelzen. Stochastische Gravitationswellen haben dagegen ihren Ursprung in anderen Phänomenen, an denen keine massiven kosmologischen Objekte beteiligt sind.

Ihr Signal ist entsprechend schwächer und bildet einen Teil des Hintergrunds der vielen Wellen, die sich durch unser Universum bewegen. Sie sind jedoch oft extrem alt. Viele ihrer Ursprungsphänomene traten in den frühesten Entwicklungsstadien unseres Universums auf, beispielsweise sogenannte Phasenübergänge von Materie, als sich das Universum nach dem heißen Urknall abkühlte, oder primordiale Magnetfelder.

Entstand dunkle Materie durch Gravitationswellen?

„In dieser Studie untersuchen wir die Möglichkeit, dass Gravitationswellen, von denen man annimmt, dass sie im frühen Universum allgegenwärtig waren, teilweise in Dunkle-Materie-Teilchen umgewandelt werden“, erklärt Kopp. „Dies führt zu einem neuen Mechanismus der Produktion von Dunkler Materie, der bisher noch nicht erforscht wurde.“

In ihrer Analyse zeigen Kopp und Maleknejad, dass Gravitationswellen dazu geführt haben könnten, dass massefreie oder nahezu massefreie Fermionen entstanden sind. Fermionen sind eine Familie von Teilchen, zu der unter anderem Elektronen, Protonen und Neutronen gehören.

Diese Fermionen aus der Frühzeit des Universums würden dann eine Masse annehmen und die Dunklen-Materie-Teilchen bilden, die bis heute existieren.

Wie es weitergeht

„Der nächste Schritt zur Weiterentwicklung dieser Forschungsrichtung besteht darin, über unsere analytischen Schätzungen hinauszugehen und numerische Simulationen durchzuführen, um die Genauigkeit unserer Vorhersagen zu verbessern“, erläutert Kopp.

Eine weitere Richtung für zukünftige Forschung sei die Untersuchung weiterer möglicher Auswirkungen von Gravitationswellen im frühen Universum.

Dunkle MaterieDie Dunkle Materie gehört zu den größten Rätseln der modernen Physik. Sie ist nicht sichtbar und wurde noch nie direkt beobachtet. Allerdings wissen die Forscher, dass sie da ist. Denn sie macht sich über ihre Schwerkraft bemerkbar. Ohne die zusätzliche Schwerkraft der Dunklen Materie würden beispielsweise viele Galaxien durch die Fliehkraft auseinander gerissen werden, da sie sich viel zu schnell drehen.

Dunkle Materie und EnergieEinen extrem großen Anteil am Universum haben zwei Phänomene, über die man bislang so gut wie nichts weiß: Dunkle Materie und Dunkle Energie. Alle Sterne in unserer Galaxie, der Milchstraße, zusammengenommen machen nur nur etwa 15 Prozent der (sichtbaren) Masse aus. Der Rest – rund 85 Prozent – ist Dunkle Materie.

Nach dem Urknall Die Dunkle Materie hat die Entwicklung und Struktur unseres Universums entscheidend geprägt. Nach dem Urknall bestimmte ihre Verteilung, wo im Kosmos die ersten Sterne und Galaxien entstanden. Der Schwerkrafteinfluss dieser unsichtbaren Materieform schuf das Grundgerüst für alle großräumigen Strukturen im Universum – von riesigen Galaxienhaufen und Filamenten des kosmischen Netzwerks bis zur Form und Bewegung der kleinsten Galaxien.