Dunkle Materie ist eine hypothetische Form von Materie, die nicht direkt mit Licht oder anderen Formen elektromagnetischer Strahlung wechselwirkt und daher nicht direkt beobachtet werden kann. Ihre Existenz wird ausschließlich durch ihre gravitativen Effekte auf sichtbare Materie, wie Sterne und Galaxien, sowie auf die großräumige Struktur des Universums abgeleitet. Sie gilt als eine der größten ungelösten Fragen der modernen Physik und Kosmologie, da sie etwa 27% der gesamten Massen- und Energiedichte des Universums ausmacht, während sichtbare Materie nur etwa 5% beiträgt. Der Rest, etwa 68%, wird der Dunklen Energie zugeschrieben.

Die ersten Hinweise auf die Existenz Dunkler Materie stammen aus den 1930er Jahren, als der Schweizer Astronom Fritz Zwicky die Geschwindigkeiten von Galaxien im Coma-Haufen untersuchte. Er stellte fest, dass die Galaxien sich viel schneller bewegten, als es die sichtbare Masse des Haufens zuließ, ohne auseinanderzufliegen. Er postulierte daher die Existenz einer unsichtbaren „dunklen Materie“. In den 1970er Jahren lieferte die amerikanische Astronomin Vera Rubin weitere zwingende Beweise durch die Untersuchung der Rotationskurven von Spiralgalaxien. Sie beobachtete, dass Sterne am äußeren Rand von Galaxien sich mit ähnlichen Geschwindigkeiten wie Sterne im Zentrum bewegten, anstatt langsamer zu werden, wie es die Newtons Gravitationstheorie bei abnehmender sichtbarer Materie vorhersagen würde. Dies deutete darauf hin, dass die Galaxien von einem viel größeren Halo aus unsichtbarer Materie umgeben sein müssen, der die zusätzliche Gravitationskraft liefert.

Zusätzliche Evidenz für Dunkle Materie kommt aus verschiedenen Quellen. Gravitationslinseneffekte, bei denen die Gravitation großer Massen das Licht von dahinterliegenden Objekten krümmt und verzerrt, zeigen, dass die Gesamtmasse von Galaxienhaufen weit über die sichtbare Materie hinausgeht. Die Analyse der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB), dem Nachglühen des Urknalls, liefert ebenfalls starke Indizien für die Präsenz Dunkler Materie, indem sie die Dichtefluktuationen im frühen Universum erklärt, die zur Bildung der heutigen großen Strukturen führten. Auch Simulationen der Strukturbildung im Universum, die die Entstehung von Galaxien und Galaxienhaufen modellieren, benötigen Dunkle Materie, um die beobachteten großräumigen Verteilungen von Materie reproduzieren zu können. Ein besonders überzeugender Beweis ist der Bullet-Cluster, eine Kollision zweier Galaxienhaufen, bei der die sichtbare Materie (Gas) von der Hauptmasse (Dunkle Materie) getrennt wurde, was durch Gravitationslinsenmessungen bestätigt wurde.

Die genaue Natur der Dunklen Materie ist noch unbekannt. Man geht davon aus, dass sie aus einer neuen Art von Elementarteilchen besteht, die nur schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirken. Die führenden Kandidaten sind sogenannte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), zu denen hypothetische Teilchen wie Neutralinos gehören, die von Supersymmetrie-Theorien vorhergesagt werden. Andere Kandidaten umfassen Axionen, sterile Neutrinos oder sogar primordial entstandene Schwarze Löcher (MACHOs), obwohl letztere durch Beobachtungen weitgehend ausgeschlossen wurden. Die Suche nach diesen Teilchen erfolgt auf verschiedenen Wegen, darunter direkte Detektionsexperimente tief unter der Erde (um Störungen durch kosmische Strahlung zu minimieren), die versuchen, die winzigen Wechselwirkungen von Dunkle-Materie-Teilchen mit normalen Atomkernen nachzuweisen. Indirekte Detektionsexperimente suchen nach den Produkten der Annihilation oder des Zerfalls von Dunkle-Materie-Teilchen im Weltraum, wie Gammastrahlen oder Neutrinos. Auch Teilchenbeschleuniger wie der Large Hadron Collider (LHC) suchen nach Anzeichen für neue Teilchen, die als Dunkle Materie in Frage kommen könnten.

Die Existenz der Dunklen Materie ist ein Eckpfeiler des aktuellen Standardmodells der Kosmologie, dem Lambda-CDM-Modell (ΛCDM), das die Entwicklung und Struktur des Universums sehr erfolgreich beschreibt. Ohne Dunkle Materie würden viele kosmologische Beobachtungen, von der Galaxienrotation bis zur Verteilung der Materie im Universum, unerklärlich bleiben. Trotz der überwältigenden indirekten Beweise bleibt die direkte Identifizierung der Dunkle-Materie-Teilchen eine der größten Herausforderungen der modernen Wissenschaft. Die Forschung auf diesem Gebiet ist intensiv und global, mit zahlreichen Experimenten und Beobachtungsprogrammen, die darauf abzielen, dieses kosmische Rätsel zu lösen und unser Verständnis des Universums grundlegend zu erweitern.