DAS L CH

„Hole in the Sky” heißt ein Song, den die britische Heavy Metal Band Black Sabbath 1975 veröffentlichte. Im selben Jahr wurde Patricio Vielva geboren, der Hinweise auf ein Loch im Himmel entdeckt hat. Dessen kosmisches Ausmaß sprengt die menschliche Vorstellungskraft: Über 900 Millionen Lichtjahre groß soll der Leerraum zwischen den Galaxienhaufen sein. Er wäre nicht nur im räumlichen Sinn eine der größten Entdeckungen aller Zeiten, sondern könnte die etablierten Theorien der Kosmologie in eine schwere Krise stürzen.

Zur ersten Irritation kam es 2004. Damals analysierte Vielva mit Marcos Cruz und anderen Kollegen der Universität von Kantabrien im spanischen Santander Messungen der Raumsonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Sie war am 30. Juni 2001 gestartet und kartiert seither den gesamten Himmel im Mikrowellenbereich (bild der wissenschaft 9/2003, „Das erste Licht”). Diese elektromagnetische Strahlung – die sogenannte Kosmische Hintergrundstrahlung – stammt größtenteils aus der Frühzeit des Universums, als es erst 375 000 Jahre alt war. Noch immer durchfluten gut 400 Photonen des Nachleuchtens vom Urknall jeden Kubikzentimeter Weltraum. Die nur drei Grad über dem Absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) „warme” Strahlung ist extrem gleichförmig. Temperaturschwankungen gibt es lediglich im Bereich von wenigen Hunderttausendstel Grad. Sie spiegeln Dichteschwankungen im Urgas wieder, aus denen die Schwerkraft im Lauf der Milliarden Jahre Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen und -superhaufen geformt hat – mit vielen Leerräumen dazwischen.

Im großen Maßstab gleicht das Weltall heute dem Schaum in der Badewanne: Die Superhaufen aus Zehntausenden von Galaxien sind dabei die „Seifenhäute”, die typischerweise 40 bis 400 Millionen Lichtjahre große leere „Blasen” umschließen, in denen es fast keine Materie gibt. Die Superhaufen machen nur etwa fünf Prozent des Gesamtvolumens aus. Vielva und seine Kollegen entdeckten in der WMAP-Himmelskarte eine Stelle, die kühler und größer war als das restliche Fleckenmuster. Dieser Kalte Fleck, „WMAP Cold Spot” genannt, ist 70 Millionstel Grad kälter als die Durchschnittstemperatur der Hintergrundstrahlung. Er erstreckt sich über 10 Grad am Himmel und befindet sich tief im Süden der Himmelssphäre: mitten im Sternbild Eridanus.

SPUR DER LEERE

Wie so viele Astronomen wunderte sich auch Lawrence Rudnick von der University of Minnesota in Minneapolis über WMAPs Kalten Fleck. Als er bei einer anderen Forschungsarbeit ins Stocken geriet, beschloss er, zusammen mit seinen Kollegen Shea Brown und Liliya R. Williams, die Himmelsregion in anderen Wellenlängen anzuschauen. Dazu werteten die Astronomen Beobachtungen des Very Large Array (VLA) aus. Diese 27 zusammengeschalteten Radioteleskope in New Mexico haben mit ihren jeweils 25 Meter großen Antennenschüsseln zwischen 1993 und 1997 ganze 82 Prozent des Himmels bei einer Frequenz von 1,4 Gigahertz durchmustert. In dem Himmelskatalog sind über 1,8 Millionen einzelne Objekte erfasst, meistens Quasare, Aktive Galaxien und Galaxien mit starker Sternbildung. Rudnick und sein Team entdeckten, dass der Kalte Fleck in der Kosmischen Hintergrundstrahlung genau der kältesten Stelle in dem Himmelskatalog entspricht. Die Radiostrahlung ist dort geringer als in der Umgebung – auf eine Temperatur umgerechnet: 37 statt 51 Millikelvin. Das Strahlungsdefizit kann sich Rudnick nur damit erklären, dass diese Himmelsregion größtenteils leer ist: ohne Sterne, Gas und Dunkle Materie.

Eine mathematische Abschätzung ergab, dass die beste Erklärung ein gigantischer Leerraum ist, der eine Entfernung von etwa 8 Milliarden Lichtjahren und eine Größe von ungefähr 900 Millionen Lichtjahren hat. Das ist das 1000-fache Volumen eines typischen Leerraums zwischen den Galaxien-Superhaufen. „Es fällt selbst Astronomen schwer, sich vorzustellen, wie groß das ist”, meint Lawrence Rudnick. „Nicht nur, dass keiner jemals zuvor ein Loch dieses Ausmaßes gefunden hat. Keiner hat auch überhaupt nur erwartet, eines dieses Ausmaßes zu finden. Das zu erklären, ist ein großes Problem.”

STATISTISCHE SCHIMÄRE?

Doch nicht alle Astronomen sind von der Existenz des Lochs überzeugt. So vermuten Kendrick Smith von der University of Cambridge und Dragan Huterer von der University of Michigan in Ann Arbor, dass das Superloch ein statistisches Artefakt der Datenauswertung ist. Sie behaupten, dass die verminderte Radiostrahlung sich nicht ohne Weiteres mit WMAPs Kaltem Fleck deckt. Unterstützung für Rudnick kommt dagegen aus Cambridge: Jason McEwen und seine Kollegen haben bei einer unabhängigen Auswertung des VLA-Katalogs ebenfalls eine Abnahme der Radiostrahlung in der Himmelsregion festgestellt. Rudnick nimmt die Kritik trotzdem ernst. Er hat die Himmelsregion mit dem VLA vor Kurzem noch einmal genauer ins Visier genommen und arbeitet zurzeit an der Auswertung und einer sehr detaillierten Datenanalyse. Falls die Messergebnisse weiterhin nicht eindeutig sind, wären langbelichtete optische Aufnahmen, Galaxien-Zählungen und -Distanzbestimmungen nötig – kurz: eine dreidimensionale Kartierung der Eridanus-Region, die immerhin die Fläche von 40 Vollmond-Durchmessern am irdischen Nachthimmel einnimmt.

EIN KNOTEN IN DER RAUMZEIT?

Doch selbst wenn die Radiodaten nicht weiterhelfen, bleibt die Existenz des Kalten Flecks in der WMAP-Karte unstrittig. Denn eine Störquelle im Vordergrund, systematische Messfehler und eine falsche Datenanalyse haben die Forscher inzwischen so gut wie ausgeschlossen. Auf den 2006 und 2008 veröffentlichten WMAP-Karten, die auf drei beziehungsweise fünf Jahre Messzeit basieren, zeichnet sich der Kalte Fleck sogar noch deutlicher ab. Eine exotische Erklärung dafür hat Neil Turok von der Cambridge University zusammen mit dem Team um Mario Cruz vorgeschlagen: Der Kalte Fleck könnte von einem dreidimensionalen „topologischen Defekt” stammen, einer sogenannten Textur. Sie ist eine Art Knoten im Gewebe der Raumzeit – geknüpft aus eingeschlossener Energie, dem Relikt des extrem energiereichen „Vakuums” der kosmischen Urzeit. Solche Gebilde entstehen bei Phasenübergängen, wie sie bei der Abkühlung des frühen Universums vorgekommen sind, und ähneln Blasen im Eis. Eine Textur hat aufgrund ihrer hohen Energiedichte ein enormes Gravitationsfeld, das die Materie in seiner Umgebung anzieht und den vorbeifliegenden Photonen der Kosmischen Hintergrundstrahlung Energie raubt – und so den Kalten Fleck erzeugt. „Nach unseren Rechnungen wäre die Textur etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall kollabiert – in einer heutigen Entfernung von rund 20 Milliarden Lichtjahren”, sagt Marcos Cruz.

Die Textur wäre eine fulminante Informationsquelle über das sehr frühe Universum und würde Physikern Einblicke in eine Energieskala ermöglichen, die weit jenseits irdischer Laborbedingungen liegt. Die Textur-Hypothese hat den Vorteil, testbare Vorraussagen zu machen: So dürfte der Kalte Fleck kein Polarisationsmuster haben, dafür müsste es bei ihm aber charakteristische Gravitationslinsen-Effekte geben und weitere kleinere Kalte Flecken in der Nähe. Das kann der europäische PLANCK-Satellit überprüfen, der in wenigen Monaten starten und die Hintergrundstrahlung noch viel genauer als WMAP kartieren wird.

ENERGIEVERLUST IM SUPERLOCH

Es gibt allerdings auch eine einfachere Erklärung für den Kalten Fleck: Er könnte eine Art „Abbild” des riesigen Leerraums sein, den Rudnick aus den Daten der Himmelsdurchmusterung im Radiowellenbereich erschlossen hat. Denn ein solches Superloch kühlt unter bestimmten Umständen die Kosmische Hintergrundstrahlung ab. Das ist die Folge eines Effekts, der bereits 1967 von den Astrophysikern Rainer Kurt Sachs und Arthur Michael Wolfe vorhergesagt wurde. Dieser sogenannte Integrierte Sachs-Wolf-Effekt (ISW) wurde erst vor Kurzem nachgewiesen – was schon für sich genommen ein großer Erfolg ist. Und er ist eine indirekte Bestätigung für das Superloch.

Der ISW-Effekt bedeutet, dass die Photonen der Kosmischen Hintergrundstrahlung Energie verlieren, wenn sie einen großen Leerraum durchqueren. Das Licht merkt sich also die Eigenschaften des Wegs, den es seit seiner Freisetzung durch den Urknall genommen hat. Wenn es durch einen Galaxien-Haufen kam, gewann es beim Eintritt etwas Energie aus dem Gravitationsfeld, die es beim Austritt wieder verlor. Das ist ähnlich wie bei einem Stein, der schneller wird, wenn er fällt, und langsamer, wenn er nach oben geworfen wird – allerdings betrifft dies seine Bewegungsenergie, während Licht immer gleich schnell ist und seine Energie in der Wellenlänge beziehungsweise Frequenz steckt. Und es gilt: Durchläuft Licht einen Leerraum, verliert es erst Energie und gewinnt diese Energie dann wieder.

Allerdings ist das kein „Nullsummenspiel”. Denn während das Licht durchs All eilt, dehnt sich dieses aus – und zwar hauptsächlich zwischen den Galaxien-Superhaufen, also in den Leerräumen. Die erst vor zehn Jahren entdeckte mysteriöse Dunkle Energie sorgt sogar für eine beschleunigte Expansion des Weltraums (bild der wissenschaft 6/1999, „Bis in alle Ewigkeit”). Dadurch verliert das Licht in den großen Leerräumen etwas Energie. Und das macht sich als geringfügig tiefere Temperatur der Kosmischen Hintergrundstrahlung bemerkbar.

RIESENGALAXIEN WEISEN DEN WEG

Den ISW-Effekt konnten Ben Granett, Mark Neyrinck und István Szapudi von der University of Hawaii in Honolulu kürzlich erstmals direkt nachweisen. Die Astronomen hatten sich den SDSS Luminous Red Galaxy Katalog vorgenommen und ihn mit der WMAP-Himmelskarte verglichen. Dieser Katalog basiert auf der tiefsten Himmelsdurchmusterung aller Zeiten, dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS), und umfasst 1,1 Millionen rötliche Elliptische Riesengalaxien. Sie sind einige Dutzend Millionen Lichtjahre entfernt und die größten Mitglieder von Galaxienhaufen. Granett und seine Kollegen wählten einige Dutzend dieser Riesengalaxien aus sowie ungefähr genauso viele freie Regionen dazwischen – mutmaßliche Leerräume. Deren Position verglichen sie mit dem Temperaturmuster der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Das Ergebnis war eine sehr gute Übereinstimmung der Galaxien mit wärmeren Flecken und der Leerräume mit kälteren Flecken in der Temperaturkarte von WMAP.

„Wir haben entdeckt, dass Galaxien-Superhaufen und Super-Leerräume einen Abdruck in der Kosmischen Hintergrundstrahlung hinterlassen, genau wie es vorhergesagt wurde”, fassen die Forscher ihre Untersuchungen zusammen. Das ist nicht nur die bislang beste Bestätigung des ISW-Effekts, sondern, wie sie betonen, auch der einfachste Nachweis der Dunklen Energie. Würde die Dunkle Energie die großen Leerräume nicht immer schneller wachsen lassen, wären die ISW-Temperaturverschiebungen nur etwa ein Zehntel so stark – und mit heutigen Methoden nicht nachweisbar. Zwar liegt der Kalte Fleck nicht im Bereich der Himmelsregion des SDSS-Katalogs. Aber wenn er durch den ISW-Effekt erzeugt wurde – und nicht durch eine Textur –, passt er genau zu dem etwa 900 Millionen Lichtjahre großen Superloch, auf das Rudnicks Radiodaten hindeuten.

WIE EIN SECHSER IM LOTTO

Wenn das Superloch real ist, könnte die Standardkosmologie in eine Krise geraten. Denn eine zufällige Dichteschwankung dieses Ausmaßes im Urgas ist sehr unwahrscheinlich: eins zu einer Milliarde oder noch viel geringer – vergleichbar mit einem Sechser im Lotto bei einem einzigen abgegebenen Tipp. Wie könnte ein so großer Leerraum in den 13,7 Milliarden Jahren seit dem Ur-knall entstanden sein? „Vielleicht durch den Einfluss anderer Universen”, lautet Laura Mersini-Houghtons verwegene Hypothese.

Was eher an eine verrückte Science-Fiction-Idee als an seriöse Wissenschaft denken lässt, nehmen viele Kosmologen durchaus ernst: Die Professorin an der University of North Carolina in Chapel Hill hat die Existenz eines solchen Lochs noch vor seiner Entdeckung vorausgesagt. Mit ihrem Kollegen Richard Holman hatte sie bereits 2006 darauf hingewiesen, dass es solche Leerräume geben könnte, wenn neben unserem Universum auch andere aus einem Quantenvakuum entstanden wären. Der Urknall wäre dann weder der absolute Anfang von Allem noch ein einzigartiges Ereignis, sondern lediglich die „Geburt” eines Universums unter vielen. Je nachdem, wie stark die Energieschwankungen im Quantenvakuum waren und wie das Verhältnis von Energie und Gravitation aussah, kollabierten die neuen Sprösslinge entweder sofort wieder, oder sie wurden durch den als Kosmische Inflation bezeichneten Aufblähungsprozess groß und stark. Diese These ist keine bloße Spekulation, sondern schon bald überprüfbar: Sie ist widerlegt, wenn der Teilchenbeschleuniger LHC, der gerade bei Genf in Betrieb geht, sogenannte supersymmetrische Teilchen erzeugen kann.

Obwohl die Paralleluniversen längst viel zu weit entfernt wären, um sie von der Erde aus beobachten zu können, sind sie doch nicht vollkommen isoliert voneinander und von uns. Denn von Anfang an gab es quantenphysikalische Verschränkungen. Diese „ spukhaften Fernwirkungen”, wie Albert Einstein sie genannt und 1935 vorausgesagt hat, sind von Quantenphysikern 1980 nachgewiesen worden. Sie sind die Grundlage von Quantenteleportation und -kryptographie (bild der wissenschaft 9/2003, „Spuk in der Quantenwelt”). Auf kosmischen Skalen wären sie eine Verbindung mit unseren Nachbaruniversen.

ABDRUCK VOM PARALLELUNIVERSUM

„Ein solcher verschränkter Zustand bleibt für immer bestehen”, sagt Laura Mersini. „Obwohl die Inflation unsere Region rasch aus der Reichweite der anderen Universen katapultierte, sollten diese noch immer in Quantenbeziehungen zu unserem zu stehen.” Dies ist letztlich eine Folge des Energieerhaltungssatzes. Und diese Wechselwirkung führt dazu, dass die Nachbaruniversen gleichsam an unserem Universum ziehen: Wo der Effekt einst besonders stark war, wurde die Galaxienbildung unterdrückt – mit einem gigantischen Leerraum als Folge.

Aus geometrischen Gründen sollte es sogar noch einen zweites Superloch geben. Mersini hat daher die Existenz eines ähnlichen Leerraums am nördlichen Himmel vorausgesagt und hofft, dass dieser bald in den WMAP-Daten entdeckt wird. So könnte das Superloch den Weg weisen zu einem Kosmos, der viel größer und exotischer ist, als es sich die meisten Astronomen vorzustellen wagen. Und dabei stünde das nächste Universum doch quasi vor unserer kosmischen Haustür. ■

von Rüdiger Vaas