Die größten Strukturen im Weltraum

Das ist ähnlich wie bei den Wasserscheiden in der Geographie: Hier trennen beziehungsweise begrenzen die Kammlinien von Gebirgen separate Einzugsbecken. Allerdings muss in der Kosmologie der Effekt der dominierenden Ausdehnung des Weltraums subtrahiert werden, damit die viel kleineren Eigenbewegungen der Galaxien zum Vorschein kommen. Superhaufen sind deshalb keine gravitativ für immer gebundenen Strukturen, sondern werden sich in der Regel auflösen. Insofern ist die Gewässer-Analogie irreführend; kosmologisch verstanden müsste sie bedeuten, dass die Erdoberfläche so schnell expandiert, dass ein Bergbach sein Tal gar nicht erreichen kann.

Die Methode ist sehr erfolgreich, denn die Eigen- oder Gravitationsgeschwindigkeiten der Galaxien sind unverfälschte Indikatoren für das Materiedichtefeld. Daraus resultiert bereits ein neues Bild unserer kosmischen Heimat. So zeigte sich im Katalog CosmicFlows-2, dass die Milchstraße am Rand eines zuvor nicht erkannten Superhaufens liegt, der Laniakea genannt wurde (bdw 6/2024, „Der vermessene Himmel“).

Der aktuelle und umfangreichste Katalog, CosmicFlows-4, verzeichnet rund 56.000 Galaxien. Deren Distanzen wurden mit acht verschiedenen Methoden bestimmt. Daraus wurden 38.000 Galaxiengruppen und einzelne Galaxien extrahiert. Aus deren Geschwindigkeiten lässt sich die großräumige Struktur des Weltalls bis zu einer Distanz von etwa 1,4 Milliarden Lichtjahren rekonstruieren (Rotverschiebung z ≈ 0,1 in nördliche Richtung im supergalaktischen Koordinatensystem, nur halb so weit nach Süden). Da diese Datenpunkte eine Messunsicherheit von jeweils rund 20 Prozent haben und noch weiter entfernte Massenansammlungen zwar wirksam, aber bislang nicht erfasst sind, ist die dreidimensionale Kartierung für große Distanzen momentan allerdings lediglich statistisch möglich. Es lässt sich nicht einmal verlässlich sagen, ob es in den kartierten mehr oder weniger als ein Dutzend Superhaufen gibt.

Bei der neuesten Datenauswertung, die von Aurelien Valade und Noam Libeskind am Leibniz Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) geleitet wurde, und an der neben Brent Tully auch Forscher aus Frankreich und Israel beteiligt waren, gab es schon wieder eine Überraschung: „Unser heimischer Superhaufen ist weitaus stärker vernetzt und umfangreicher, als wir ursprünglich angenommen haben“, sagt Libeskind. „Wir sind wahrscheinlich Teil einer viel größeren Struktur.“

Laniakea ist vermutlich nur ein Anhängsel des umfassenderen Shapley-Anziehungsgebiets. Möglicherweise existiert Laniakeia nicht einmal als eigenständiger Superhaufen. Außerdem ist die Grenze der BoA, in der wir leben, unsicher: Die größte Wahrscheinlichkeit, bis zu 60 Prozent, besteht dafür, dass die Milchstraße im Einzugsgebiet der 640 Millionen Lichtjahre fernen Shapley-Konzentration liegt, also letztlich zu diesem Superhaufen gehört. Doch es lässt sich auch nicht ausschließen, dass sie zur gravitativen Senke des Ophiuchus-Superhaufens zählt. Entsprechend unklar ist, ob Laniakea ganz mit diesem oder aber teilweise mit Shapley assoziiert ist.

Außerdem zeigte sich nun deutlich, dass die Sloan Great Wall mit etwa 10²⁷ Kubiklichtjahren die derzeit größte klar identifizierte Struktur im kosmischen Netzwerk (cosmic web) ist. Unsicher wurde hingegen der Status der CfA Great Wall: Wahrscheinlich gehört auch sie zum Shapley-Basin. Andererseits könnte sie mit dem Hercules-Basin verbunden oder aber eigenständig sein.

Die Daten reichen leider nicht weit genug, um die äußeren BoA-Grenzen zu bestimmen. „Es sind noch mehr Beobachtungen nötig, um die Größe unseres heimatlichen Superhaufens zu bestätigen“, sagt Noam Libeskind. Auch hier erfordert der Fortschritt wieder einmal ein Weiterkommen.

Große Scharen von Quasaren

Auch in noch größeren Entfernungen, für die es keine dreidimensionalen kosmischen Karten gibt, sind gigantische Strukturen aufgetaucht, die Forschern Kopfzerbrechen bereiten. So wurden immer wieder Quasare in auffälliger Nähe zueinander entdeckt, die auf gewaltige Galaxien-Assoziationen schließen lassen. Quasare sind die leuchtkräftigen Zentren sogenannter Aktiver Galaxien, in denen ein supermassereiches Schwarzes Loch enorme Mengen an Gas, Staub und mitunter sogar ganze Sterne verschlingt. Dabei wird in seiner unmittelbaren Umgebung intensive Strahlung in vielen Wellenlängen freigesetzt.

Diese großen Gruppen von Quasaren – im Jargon der Astronomen kurz LQGs (large quasar groups) genannt – gelten als Vorläufer oder frühe Signaturen der großräumigen Strukturen, die im gegenwärtigen Universum das kosmische Netzwerk (cosmic web) aus Superhaufen formen. Sie haben sich aufgrund ihrer Gravitation zu gigantischen Gebilden angeordnet: zu langgestreckten Filamenten (filaments, walls) und flachen, teils blasenförmigen Objekten (sheets), die sich in knotenartigen Verdichtungen treffen (knots) und gewaltige Leerräume (voids) umhüllen. Aufgrund der enormen Leuchtkraft der Quasare sind die LQGs quasi die optische Spitze der supergalaktischen Eisberge im Ozean der kosmischen Leere.

Die erste LQG wurde bereits 1982 vermutet. Adrian Webster vom Mullard Radio Astronomy Observatory im britischen Cambridge fand vier ungewöhnlich eng benachbarte Quasare in einer Entfernung von 4,8 Milliarden Lichtjahren (Rotverschiebung z = 0,37). Dieses etwa 300 Millionen Lichtjahre messende Gebiet war seinerzeit das größte bekannte mutmaßliche Gebilde im All. Webster spekulierte, dass solche Gruppen auf Strukturen jenseits der damals noch nicht klar etablierten Superhaufen von Galaxien (superclusters) verweisen könnten; er sprach von „superduper clusters“.

Indizien für eine zweite, 200 Millionen Lichtjahre große LQG mit 28 Mitgliedern publizierte 1987 ein Team um David Crampton vom Dominion Astrophysical Observatory im kanadischen Victoria. 1991 haben dann Roger G. Clowes vom Royal Observatory im schottischen Edinburgh und Luis E. Campusano vom Observatorium der Universität von Chile in Santiago eine scheinbar zusammengehörende Gruppe von Quasaren in fast 13 Milliarden Lichtjahre Entfernung entdeckt (z = 1,27). In einer 2012 publizierten Studie fanden die beiden Astronomen mit weiteren Kollegen, dass diese LQG noch größer ist als zunächst gedacht. Sie hat mindestens 34 Mitglieder. Nur zwei Grad am Himmel entfernt befindet sich eine weitere Gruppe von 38 Quasaren, deren Distanz von uns etwas geringer ist (11,7 Milliarden Lichtjahre, z = 1,11). Beide Ansammlungen konzentrieren sich auf eine Himmelsregion von jeweils gut einer Milliarde Lichtjahre im Durchmesser.

Nachdem in den 1990er-Jahren bereits mehr als ein Dutzend LQGs gefunden wurden, übersteigt die Zahl der mit guter Signifikanz nachgewiesenen Gruppen inzwischen fünf Dutzend. Das ist vor allem dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS) zu verdanken. Er hat seit dem Jahr 2000 ein Drittel des Himmels mehrfach und sehr genau durchmustert. Dabei wurden über 100.000 Quasare lokalisiert und deren Spektren gemessen.

2013 berichtete das Team um Clowes über eine weitere LQG, die sogar 73 Quasare in einem 1,5 bis 4 Milliarden Lichtjahre messenden Himmelsbereich umfasst (ebenfalls mit z = 1,27), nur neun Grad (zwei Milliarden Lichtjahre) nördlich der 1991 entdeckten Gruppe; der Minimalabstand beträgt lediglich 450 Millionen Lichtjahre. Selbst wenn das Zufall wäre, ist diese sogenannte Huge-LQG für sich allein bereits „sowohl in ihrem Ausmaß als auch in der Zahl ihrer Mitglieder die extremste bekannte LQG im fernen Universum“, schrieben die Astronomen. Sie war die bis dahin größte Struktur im All.

Allerdings lässt sich selbst die Existenz der größten LQGs noch mit der Standardkosmologie vereinbaren. Das ergaben aufwendige Computersimulation, die das Team um Clowes 2016 publizierte. Die Resultate zeigten, „dass die Wahrscheinlichkeit, eine LQG zu finden, die größer ist als die Huge-LQG (entweder in Bezug auf die Größe oder die Anzahl der Quasare) rund 20 Prozent beträgt“, resümierten die Wissenschaftler.

Allerdings verweisen die riesigen Quasar-Gruppen eventuell doch auf Strukturen, die mächtiger sind als es das kosmologische Standardmodell erlaubt. Darauf deuten großräumige Korrelationen in der schwachen (etwa ein Prozent) linearen Polarisation der Strahlung vieler Quasare sowohl im sichtbaren als auch im Radiobereich hin. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die Ausrichtung der Rotationsachsen vieler Galaxien nach ihrer Entstehung im Netzwerk der Galaxiensuperhaufen nicht zufällig verteilt ist, sondern sich dabei statistisch Anisotropien ausgebildet haben.

Die ersten Indizien entdeckte Damien Hutsemékers von der Universität Lüttich in Belgien 1998. Seitdem erhärteten er und andere Astronomen diese – allerdings noch immer kontrovers diskutierte – Vermutung. Sie fanden inzwischen nicht nur korrelierte Polarisationsmuster bei über 350 einzelnen Quasaren mit Rotverschiebungen bis zu 2,5, sondern auch solche für ganze LQG, die sich über Milliarden Lichtjahre zu erstrecken scheinen. „Wenn die LQG-Orientierungskorrelation real ist, repräsentiert sie eine großräumige Strukturausrichtung über Skalen, die mindestens das Zehnfache aller bisher beobachteten erreichen und größer sind als die von kosmologischen Simulationen vorhergesagten“, resümiert Tracey Friday, die bei Clowes promoviert hat.

„Die Regionen, in denen die Ausrichtungen am signifikantesten sind, befinden sich in entgegengesetzten Richtungen am Himmel und definieren möglicherweise eine Polarisationsausrichtungsachse entlang derer der mittlere Polarisationswinkel abhängig von der kosmologischen Entfernung rotiert“, überlegt Hutsemékers. „Oder die Drehachsen der supermassereichen Schwarzen Löcher sind großräumig orientiert, was mit der Strukturbildung, intergalaktischen Magnetfeldern, Kosmischen Strings oder einer Rotation des Universums zusammenhängen könnte“, spekuliert er.

Riesige Ringe?

Auch die Entdeckung einer Giant Arc genannten Struktur sorgte für Aufsehen. Clowes, der inzwischen an der University of Central Lancashire im britischen Preston forscht, hat mit seiner Doktorandin Alexia M. Lopez und mit Gerard M. Williger von der University of Louisville, Kentucky im Jahr 2022 davon berichtet. Der Giant Arc ist eine gigantische bogenförmige Struktur. Sie erstreckt sich über eine Länge von rund 3,3 Milliarden Lichtjahren und hat eine Masse von vielleicht zwei Trillionen Sonnen.

Alexia Lopez, die 2021 den Giant Arc zuerst erspäht hatte, fand 2024 noch eine zweite Riesenstruktur. Diese sieht grob kreisförmig aus und wurde daher Big Ring genannt. Sein Durchmesser beträgt rund 1,3 Milliarden Lichtjahre. Am irdischen Himmel erstreckt er sich über eine Fläche, die der von 15 Vollmonden entspricht. Genaueren Analysen zufolge handelt es sich nicht um einen Ring, sondern eher um eine kurze gewundene Spirale – vergleichbar mit einem Bruchstück eines Korkenziehers.

Noch merkwürdiger ist, dass der Big Ring und der Giant Arc Nachbarn sind. Sie befinden sich nur etwa 12 Grad voneinander am Himmel entfernt, an der Grenze der Sternbilder Bärenhüter und Großer Bär. Auch ihre Distanzen ähneln sich: rund neun Milliarden Lichtjahre
(z = 0,80 plus/minus 0,06). Zudem gibt es Hinweise, dass der Giant Arc Teil einer noch größeren elliptischen Struktur ist, die den Big Ring umgibt.

„Die Daten stammen aus der Halbzeit unseres Universums, als es etwa 1,8 Mal kleiner war als heute. Der Big Ring und der Giant Arc, sowohl einzeln als auch zusammen, geben uns ein großes kosmologisches Rätsel auf“, sagt Alexia Lopez, als sie die Gebilde auf der Konferenz der American Astronomical Society 2024 vorstellte.

Verräterisches Magnesium

Der Nachweis der beiden Gebilde ist der SDSS-Durchmusterung zu verdanken. Der Giant Arc und der Big Ring traten allerdings nicht direkt auf den SDSS-Fotos in Erscheinung. Vielmehr machten sie sich indirekt bemerkbar über ihre Absorptionslinien, die einfach ionisierte Magnesium-Atome in den Spektren des Lichts von viel weiter entfernten Quasaren im Hintergrund hinterlassen haben. Denn die Spektren sagen nicht nur etwas über die Strahlungsquellen selbst aus, sondern auch über das, was sich zwischen ihnen und uns aufhält. Das Magnesium stammt vom Gas in und um Galaxien mit einer hohen Sternentstehungsrate: Die intensive Strahlung der jungen Sterne hat den Atomen jeweils ein Außenelektron entrissen und hinterließ dadurch in den Quasar-Spektren eine charakteristische „Fehlstelle“ bei bestimmten entfernungsabhängigen Wellenlängen. Auch einige der LQGs konnten inzwischen durch diese Methode unabhängig bestätigt werden.

Clowes, Lopez und Williger können ausschließen, dass es sich bei den spektralen Signaturen um falsch positive Signale handelt. Auch befinden sich in der Region hinter dem Big Ring und Giant Arc rund 50 beziehungsweise 20 Mal so viele Quasare, deren Spektrum keine Magnesium-Absorptionslinien aufweisen.

Wie die beiden Strukturen entstanden sind, ist rätselhaft. Clowes und sein Team halten es für unwahrscheinlich, dass es sich um sogenannte Baryonische Akustische Oszillationen handelt. Diese Strukturen gehen aus Schallwellen im Urgas hervor, das dadurch geringfügig kugelschalenförmig verdichtet wurde und so die Bildung von Galaxien beeinflusst hat. Dies zeigt sich heute noch in der Statistik als kreisförmige Signaturen der Galaxienverteilung bei einem Radius von knapp 500 Millionen Lichtjahren. Der Big Ring und der Giant Arc sind deutlich größer und auch nicht so kreisförmig.

Vielleicht wurden sie durch Phasenübergänge im frühen Universum geprägt, sogenannte Kosmische Strings (bild der wissenschaft 9/2006, „Gefährliche Risse im Weltraum“). Das wäre eine sensationelle Erkenntnis, ist momentan aber reine Spekulation. Immerhin werden solche fadenförmigen Verwerfungen der Raumzeit inzwischen sogar von Jim Peebles ernsthaft erwogen. Der Kosmologe von der Princeton University hat 2019 den Physik-Nobelpreis erhalten.

Die Gebilde sind so gewaltig, dass sie die oft genannte Skala der kosmischen Homogenität übertreffen. Sie beträgt maximal etwa 1,2 Milliarden Lichtjahre. Das ergaben Computersimulationen eines Teams um Jaswant K. Yadav vom Korea Institute for Advanced Study in Seoul auf der Grundlage des kosmologischen Standardmodells. Und das ist schon ein großzügiger Wert. Frühere Schätzungen nahmen teilweise nur ein Zehntel davon an.

„Die ultragroßen Strukturen sind so riesig, dass es schwierig wird, sie mit dem Standardmodell der Kosmologie zu vereinbaren“, schreiben Clowes und sein Team. „Sie fordern das Kosmologische Prinzip heraus, das heißt die Annahme eines homogenen Alls. Außerdem ist ihre Entstehung und Entwicklung nicht völlig geklärt.“

Einzelne Beispiele könnten als statistische Ausreißer durchgehen. Aber wenn es zu viele davon gibt, wird es kritisch.

Gigantismus mit Gammablitzen?

Vielleicht sind selbst die riesigen LQGs und Magnesium-Absorber nicht das Ende im Reigen der kosmischen Rekorde. Das meint zumindest eine Gruppe von Astronomen aus den USA und Ungarn um Jon Hakkila vom Charleston College in South Carolina. Die Wissenschaftler werteten Daten von Gammablitzen (GRBs, gamma-ray bursts) aus, die mit dem Weltraumteleskop Swift und weiteren Observatorien gemessen worden waren. Diese plötzlichen Ausbrüche im hochenergetischen Bereich der Gammastrahlen währen meist nur wenige Sekunden und sind die hellsten Explosionen im Universum, weshalb sie sich auch in riesigen Distanzen beobachten lassen. Sie stammen von Hypernovae, also dem brachialen Ende ausgebrannter Riesensterne, oder aus Kollisionen von Neutronensternen; und sie waren im frühen Universum wesentlich häufiger als heute, weil sich damals sehr viele kurzlebige Riesensterne gebildet hatten.

Hakkila untersuchte mit seinen Kollegen GRBs in bestimmten Entfernungsintervallen. Das Team entdeckte, dass die GRBs nicht alle gleichmäßig am Himmel verteilt waren. Das lässt vermuten, dass die GRB-Positionen die entstehenden Superhaufen von Galaxien im kosmischen Netzwerk widerspiegeln: Filamente, die sich um große Leerräume scharen.

So ergab eine Studie von 2015, dass neun GRBs eine grob ringförmige Struktur von etwa 5,6 Milliarden Lichtjahre Durchmesser bildeten; ihre Strahlung war rund sieben Milliarden Jahre zu uns unterwegs (z = 0,78 bis 0,86). Dieser sogenannte Giant GRB Ring überdeckt eine Fläche von mehr als 70 Vollmonden am Himmel. Die Wahrscheinlichkeit für eine zufällige Ansammlung beträgt den statistischen Analysen der Forscher zufolge nur 1 zu 20.000.

Noch größer ist eine langgestreckte Assoziation von mindestens 19 GRBs, die das Team um Hakkila bereits 2013 identifizierte. Diese GRBs hatten Rotverschiebungen zwischen 1,6 und 2,1. Ihre Strahlung war somit 9,6 bis 10,5 Milliarden Jahre unterwegs; ihre Distanz beträgt heute 15 bis 17,6 Milliarden Lichtjahre, wenn man die Ausdehnung des Weltraums in dieser Zeit mit einrechnet. Die GRBs verteilten sich über eine fast 15.000 Quadratgrad oder 7 mal 10 Milliarden Lichtjahre große Region auf der nördlichen Himmelssphäre – in einem Bereich von fast zwei Dutzend Sternbildern, wobei Hercules und Corona Borealis im Zentrum sind. Der Teenager Johndric Valdez aus dem philippinischen Marikina nannte die Struktur, als er dazu einen Wikipedia-Eintrag anlegte, daher Hercules-Corona Borealis Great Wall.

Das verbreitete sich im Internet schnell, und die Wissenschaftler übernahmen die Bezeichnung. „Wir hatten nicht daran gedacht, der Struktur einen Namen zu geben, weil wir uns vor allem darüber Gedanken machten, ob sie echt ist oder nicht“, kommentierte Hakkila später.

Während manche Wissenschaftler hierin den Sargnagel des kosmologischen Standardmodells erblicken, behaupten andere – etwa Ezgi Canay von der Technischen Universität Istanbul in der Türkei und Maxim Eingorn von der North Carolina Central University in Durham, USA –, dass ein inhomogenes Strukturwachstum auf Skalen von Milliarden Lichtjahren, das zu Superhaufen wie der postulierten Hercules-Corona Borealis Great Wall führt, mit der Standardkosmologie doch noch vereinbar sei. Konsens ist dies nicht. Unabhängig davon bleibt die Existenz beider GRB-Assoziationen weiterhin umstritten.

Sicherlich erhöht die zunehmende Menge an Daten zu immer größeren Bereichen des Universums auch die Wahrscheinlichkeit zufälliger Übereinstimmungen. Kritiker wie Sam Christian von der Liberal Arts and Science Academy in Austin, Texas, wenden ein, dass die Statistik nicht eindeutig und gut genug ist; zudem könnten auch Messfehler eine Rolle spielen. Klarheit werden wohl erst bessere Daten liefern. Das haben auch Hakkila und sein Team in einer noch detaillierteren Datenanalyse im Jahr 2020 betont. Eine große Hilfe wäre beispielsweise das Weltraumteleskop THESEUS (Transient High-Energy Sky and Early Universe Surveyor), über dessen Realisierung die Europäische Raumfahrtagentur ESA zurzeit berät.

Falls die Hercules-Corona Borealis Great Wall real ist beziehungsweise eine damit korrelierte Struktur von Galaxien-Superhaufen, dann wäre diese das größte bekannte Objekt im beobachtbaren Universum – dreimal so groß wie der Giant Arc und sechsmal so groß wie die nur ein Zehntel so weit entfernte Sloan Great Wall. Im Gegensatz zu solchen gut kartierten näheren Filamenten sowie zu den viel schwerer zu interpretierenden großen Quasar-Gruppen würden sich die beiden GRB-Assoziationen kaum in Einklang bringen lassen mit der Annahme einer durchschnittlichen Materieverteilung selbst in riesigen Maßstäben – und somit auch nicht mit dem Kosmologischen Prinzip. Außerdem würde für ihre Bildung das Alter des Universums wohl nicht ausreichen. Kurzum: Die allergrößten Strukturen brächten das aktuelle Standardmodell der Kosmologie in allergrößte Schwierigkeiten.