Vera Rubin und Dunkle Materie
Obwohl ihr Vater Zweifel an den Karrieremöglichkeiten in der Astronomie hatte, unterstützte er ihr Interesse, indem er ihr beim Bau ihres eigenen Teleskops half und mit ihr zu Treffen von Amateurastronomen ging. Sie erhielt ein Stipendium für das renommierte Women’s College Vassar, wo sie 1948 als einzige Astronomin ihren Abschluss machte. Bei der Bewerbung an Graduiertenschulen wurde Rubin mitgeteilt, dass „Princeton keine Frauen akzeptiert“ im Astronomieprogramm. (Diese Politik wurde erst 1975 aufgegeben. Rubin bewarb sich unerschrocken an der Cornell University, wo sie Physik bei Philip Morrison, Richard Feynman und Hans Bethe studierte. Anschließend ging sie an die Georgetown University, wo sie 1954 promovierte (bei George Gamow, der in der Nähe der George Washington University war).
„In einer Spiralgalaxie beträgt das Verhältnis von dunkler zu heller Materie etwa den Faktor zehn. Das ist wahrscheinlich eine gute Zahl für das Verhältnis unserer Unwissenheit zu Wissen. Wir sind aus dem Kindergarten, aber nur in etwa der dritten Klasse.“-Vera Rubin
Nachdem sie einige Jahre in Georgetown unterrichtet hatte, nahm sie eine Forschungsposition an der Carnegie Institution in Washington ein, die ein bescheidenes Astronomieprogramm hatte. Ihre Arbeit konzentrierte sich auf Beobachtungen der Dynamik von Galaxien. Sie tat sich mit Kent Ford zusammen, einem Astronomen, der ein extrem empfindliches Spektrometer entwickelt hatte.
Rubin und Ford verwendeten das Spektrometer, um das Lichtspektrum der Sterne in verschiedenen Teilen von Spiralgalaxien zu verteilen. Die Sterne in der Scheibe einer Galaxie bewegen sich in etwa kreisförmigen Bahnen um das Zentrum. Wenn die Scheibe zu unserer Sichtlinie geneigt ist, nähern sich die Sterne auf der einen Seite uns, während sich die Sterne auf der anderen Seite entfernen. Wenn sich eine Lichtquelle auf uns zubewegt, sehen wir eine Abnahme der Wellenlängen des Lichts (eine Verschiebung zum blauen Ende des Spektrums), und wenn sich die Quelle wegbewegt, sehen wir eine Zunahme der Wellenlängen (eine Verschiebung zum roten Ende). Dies wird als Dopplereffekt bezeichnet, und die Wellenlängenverschiebung ist proportional zur Geschwindigkeit der Lichtquelle relativ zum Beobachter. Rubin und Ford führten sorgfältige Messungen von Dopplerverschiebungen durch die Scheiben mehrerer Galaxien durch. Sie konnten dann die Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne in verschiedenen Teilen dieser Galaxien berechnen.Da die Kernregion einer Spiralgalaxie die höchste Konzentration an sichtbaren Sternen aufweist, gingen Astronomen davon aus, dass sich der größte Teil der Masse und damit der Schwerkraft einer Galaxie auch auf ihr Zentrum konzentrieren würde. In diesem Fall ist die erwartete Umlaufgeschwindigkeit eines Sterns umso langsamer, je weiter er vom Zentrum entfernt ist. In unserem Sonnensystem bewegen sich die äußeren Planeten langsamer um die Sonne als die inneren. Indem Astronomen beobachteten, wie die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen von ihrer Entfernung vom Zentrum einer Galaxie abhängt, konnten sie im Prinzip berechnen, wie sich die Masse in der gesamten Galaxie verteilt.Als Rubin und Ford begannen, Doppler-Beobachtungen der Umlaufgeschwindigkeiten in Spiralgalaxien durchzuführen, entdeckten sie sofort etwas völlig Unerwartetes. Die Sterne weit weg von den Zentren der Galaxien, in den dünn besiedelten äußeren Regionen, bewegten sich genauso schnell wie die näher. Das war seltsam, weil die sichtbare Masse einer Galaxie nicht genug Schwerkraft hat, um solche sich schnell bewegenden Sterne im Orbit zu halten. Daraus folgte, dass es in den äußeren Regionen von Galaxien, in denen es relativ wenige sichtbare Sterne gibt, eine enorme Menge unsichtbarer Materie geben musste. Rubin und Ford untersuchten etwa sechzig Spiralgalaxien und fanden immer dasselbe. „Was Sie in einer Spiralgalaxie sehen“, schloss Rubin, „ist nicht das, was Sie bekommen.Ihre Berechnungen zeigten, dass Galaxien etwa zehnmal so viel „dunkle“Masse enthalten müssen, wie die sichtbaren Sterne ausmachen können. Kurz gesagt, mindestens neunzig Prozent der Masse in Galaxien und damit im beobachtbaren Universum sind unsichtbar und nicht identifiziert. Dann erinnerte sich Rubin an etwas, das sie als Doktorandin über frühere Beweise für unsichtbare Masse im Universum gelernt hatte. Fritz Zwicky hatte 1933 die Dopplergeschwindigkeiten ganzer Galaxien innerhalb des Coma-Haufens analysiert. Er fand heraus, dass sich die einzelnen Galaxien innerhalb des Clusters so schnell bewegen, dass sie entkommen würden, wenn der Cluster nur durch die Schwerkraft seiner sichtbaren Masse zusammengehalten würde. Da der Cluster keine Anzeichen von Auseinanderfliegen zeigt, muss er ein Übergewicht an „dunkler Materie“ enthalten — etwa zehnmal mehr als die sichtbare Materie —, um ihn zusammenzubinden. Zwickys Schlussfolgerung war richtig, aber seine Kollegen waren skeptisch gewesen. Rubin erkannte, dass sie überzeugende Beweise für Zwickys dunkle Materie entdeckt hatte. Der größte Teil der Masse des Universums ist in der Tat vor unserer Sicht verborgen.
Viele Astronomen zögerten zunächst, diese Schlussfolgerung zu akzeptieren. Aber die Beobachtungen waren so eindeutig und die Interpretation so einfach, dass sie bald erkannten, dass Rubin Recht haben musste. Die leuchtenden Sterne sind nur die sichtbaren Spuren einer viel größeren Masse, aus der eine Galaxie besteht. Die Sterne besetzen nur die inneren Regionen eines riesigen kugelförmigen „Halos“ aus unsichtbarer dunkler Materie, der den größten Teil der Masse einer Galaxie ausmacht. Vielleicht gibt es sogar große Ansammlungen dunkler Materie in den weiten Räumen zwischen Galaxien, ohne sichtbare Sterne, um ihre Anwesenheit zu verfolgen. Aber wenn ja, wären sie sehr schwer zu beobachten.Und was genau ist diese „dunkle Materie“, die bisher unbeobachtet ist, außer durch die Wirkung ihrer Schwerkraft auf die Sterne? Die Frage ist heute eines der größten ungelösten Rätsel der Astronomie. Viele theoretische und beobachtende Astronomen arbeiten hart daran, diese Frage zu beantworten.Vera Rubin erforscht weiterhin die Galaxien. 1992 entdeckte sie eine Galaxie (NGC 4550), in der die Hälfte der Sterne in der Scheibe in eine Richtung und die Hälfte in die entgegengesetzte Richtung kreisen, wobei beide Systeme miteinander vermischt sind! Vielleicht resultierte dies aus der Verschmelzung zweier Galaxien, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehten. Rubin hat seitdem mehrere andere Fälle von ähnlich bizarrem Verhalten gefunden. In jüngerer Zeit fanden sie und ihre Kollegen heraus, dass die Hälfte der Galaxien im großen Virgo-Cluster Anzeichen von Störungen aufgrund enger Gravitationsbegegnungen mit anderen Galaxien aufweist.In Anerkennung ihrer Leistungen wurde Vera Rubin in die National Academy of Sciences gewählt und 1993 mit der National Medal of Science ausgezeichnet. Aber während ihrer gesamten Karriere hat Rubin weder Status noch Anerkennung gesucht. Ihr Ziel war vielmehr die persönliche Befriedigung wissenschaftlicher Entdeckungen. „Wir haben in eine neue Welt geblickt und gesehen, dass sie mysteriöser und komplexer ist, als wir es uns vorgestellt hatten. Noch mehr Geheimnisse des Universums bleiben verborgen. Ihre Entdeckung erwartet die abenteuerlustigen Wissenschaftler der Zukunft. Ich mag es so.“