Wie ein Schwamm sieht das Universum aus, wenn man es “von außen” betrachtet. Wir können es aber nur von innen erforschen und uns mit vielen Tricks an die Entschlüsselung seiner Struktur machen.
Für die Entfernungsbestimmung braucht man sehr leistungsfähige Teleskope und viel Zeit. Daher wurde bislang vor allem unsere kosmische Nachbarschaft vermessen. Durchmusterungen während vieler Jahre zeigen insbesondere riesige Leerräume – 50 bis 100 Millionen Lichtjahre groß -, umgeben von Galaxienhaufen, die die festen Wände in dem “Schwamm” bilden.
Doch auch dieses Muster scheint nur eine mittlere Stufe in der kosmischen Hierarchie zu sein. Die Galaxienhaufen bilden nämlich noch größere Strukturen: Superhaufen von Galaxien. Ein solcher Superhaufen ist die 1989 am nördlichen Sternenhimmel entdeckte Große Mauer (bild der wissenschaft 7/1990: “Kosmischer Schaum”). Hier haben sich mehr als 2000 Galaxien zu einer 850 mal 300 Millionen Lichtjahre großen “Mauer” zusammengelagert, deren Dicke ungefähr 25 Millionen Lichtjahre beträgt.
Anzeichen einer ähnlichen Struktur am Südhimmel, die sich von den Sternbildern Pfau und Indianer über die galaktische Ebene bis hin zum Sternbild Segel zieht, hat man letztes Jahr entdeckt. Sie enthält auch den “Großen Attraktor”, zu dem hin unsere Milchstraße mit 500 Kilometern pro Sekunde durch den Raum gerissen wird (bild der wissenschaft 6/1996: “Der Riese hinter dem schwarzen Dunst”).
Doch der Satellit COBE hat bei seiner Vermessung der Hintergrundstrahlung ein schwaches Muster aus großräumigen Strukturen entdeckt, dessen “Maschen” zehnmal größer sind als die bekannten Superhaufen (bild der wissenschaft 9/1992: “Auf kalten Spuren” ).
Ein erster entscheidender Durchbruch gelang englischen und amerikanischen Astronomen bereits 1990. Sie kartierten die Galaxien in einem ganz schmalen und sehr langgestreckten Himmelsgebiet. Tom Broadhurst (Queen Mary and Westfield College, London) und Richard Ellis (University of Durham) bestimmten mit dem 3,9-Meter-Spiegel des Anglo-Australian-Teleskops in New South Wales, Australien, die Rotverschiebungen von Galaxien in Richtung des Südpols der Milchstraße. In die entgegengesetzte Richtung blickten David Koo (Lick-Observatorium, Kalifornien) und Alexander Szalay (Johns Hopkins University, Baltimore) mit dem 4-Meter-Teleskop auf dem Kitt Peak in Arizona: in die Region über dem galaktischen Nordpol. Zusammengenommen ergaben die Beobachtungen ein rund zehn Milliarden Lichtjahre langes “Bohrloch” durch den Weltraum mit der Milchstraße in der Mitte.
Das Ergebnis sorgte in Fachkreisen für großes Aufsehen: Die Rotverschiebungen der Galaxien waren nicht gleichmäßig verteilt, sondern häuften sich in Abständen von etwa 650 Millionen Lichtjahren. Es war, als hätte die Durchmusterung eine periodische Abfolge von Galaxien-Mauern durchstoßen, zwischen denen es kaum leuchtende Materie gibt. 13 solcher Häufungen über die zehn Milliarden Lichtjahre lange Strekke hatten die Astronomen registriert.
Ähnliche Studien in anderen Himmelsrichtungen ergaben aber keine solche Periodizität, so daß Kritiker das erste Ergebnis für Zufall hielten. Die Neugier der Astronomen war jedoch geweckt, und man intensivierte die Suche. 1996 wurden Resultate einer Durchmusterung am Las-Campanas-Observatorium veröffentlicht. Auch sie erbrachten eine periodische Häufung von Galaxien, diesmal in der Größenordnung von 500 Millionen Lichtjahren.
Nun hat ein zehnköpfiges Astronomen-Team um Jaan Einasto vom Tartu-Observatorium in Estland, dem auch Astronomen aus Potsdam, Göttingen, Moskau, Chicago und Mexico angehören, alle bislang – im sogenannten Abell-Katalog – veröffentlichten Entfernungen von Galaxien in Galaxienhaufen ausgewertet. Dann modellierten die Wissenschaftler die dreidimensionale Verteilung von 1304 dieser Galaxienhaufen in einem Abstand von bis zu 1,8 Milliarden Lichtjahren. Damit umfaßt diese Studie das bislang größte Volumen in unserer kosmischen Umgebung.
“Aus den bisher vorliegenden Daten konnten wir 220 Galaxien-Superhaufen identifizieren”, sagt Volker Müller vom Astrophysikalischen Institut Potsdam, wo die Wissenschaftler kürzlich über die Datenanalyse und Simulationsrechnungen diskutierten. “Die Superhaufen sind asymmetrisch: In einer Raumrichtung sind sie meist länger als in den beiden anderen. Ihre Ausmaße können 150 Millionen Lichtjahre übersteigen.”
Das wichtigste Ergebnis der Studie ist, daß die Superhaufen nicht zufällig im Raum verteilt, sondern periodisch angeordnet sind. Das deutet darauf hin, daß sie eine noch größere hierarchische Struktur bilden: ein gewaltiges Netz, das nahezu kugelförmige Hohlräume umschließt. Die Gebiete der jeweils höchsten Materiedichte liegen dabei jeweils rund 600 Millionen Lichtjahre auseinander. (Diese Größenangabe basiert wie alle anderen in diesem Text auf einer heutigen Ausdehnung des Universums von 65 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec – der Hubble-Konstante -, wie sie durch die neuen Messungen des Weltraumteleskops nahegelegt wird.)
Wenn dieses Bild wenigstens in groben Zügen korrekt ist, sind Superstrukturen wie die Große Mauer und der Große Attraktor nicht die Ausnahme, sondern die Regel. Und sie gehorchen einer noch weiterreichenden Ordnung.
Dies hat drastische Konsequenzen für die Theorien von der Entstehung der großräumigen Materieverteilung. Die bisherigen Beschreibungen, wie die kosmische Ordnung durch Schwerkraftwirkung aus geringfügigen Dichteschwankungen in dem einst fast gleichförmig verteilten Urgas entstand, sind angesichts der gigantischen Netzstruktur unzureichend. Man muß also nach neuen Erklärungen Ausschau halten.
Eine kühne Hypothese basiert auf Schallwellen im frühen Universum. Sie geht auf Arbeiten von Wayne Hu von der Princeton University zurück und wurde kürzlich von Alexander Szalay wieder aufgegriffen: In den ersten 300000 Jahren nach dem Urknall war der Kosmos demnach von einer heißen “Suppe” aus Strahlung und Materie ausgefüllt. In diesem Gewimmel konnten die Photonen nur kurze Wege zurücklegen, bevor sie von Elektronen und anderen Teilchen absorbiert und wenig später erneut abgestrahlt wurden. Als das Universum aufgrund seiner Ausdehnung auf wenige tausend Grad abgekühlt war, entkoppelte sich die Strahlung von der Materie: Der Weltraum wurde durchsichtig.
Zu der Zeit könnten möglicherweise “Sacharow-Oszillationen” aufgetreten sein, das heißt, einzelne Schallwellen wurden in einer Art Resonanz besonders verstärkt. Dadurch könnte die Dichte im frühen Universum periodisch erhöht und erniedrigt worden sein – der Ursprung für die spätere charakteristische Skala in der Superhaufen-Verteilung.
Andere Erklärungsversuche sind noch spekulativer. Sie erfordern bislang noch unbekannte physikalische Prozesse, die sich vielleicht unmittelbar nach dem Urknall abspielten. Viele Kosmologen vermuten, daß sich das Universum damals exponentiell ausgedehnt hat. Vielleicht haben sich einzelne Störungen während dieser sogenannten Inflationsphase enorm aufgebläht und die Keimzellen der Superstrukturen gebildet.
Auch die kosmische Hintergrundstrahlung – das Restrauschen des Feuerballstadiums nach dem Urknall -, die seit der Abkoppelung der Materie den Weltraum gleichmäßig füllt und bis heute auf minus 270 Grad Celsius abgekühlt ist, trägt immer noch den Abdruck von Dichtefluktuationen in der Verteilung der Urmaterie: Der COBE-Satellit hat Temperaturschwankungen von etwa einem hunderttausendstel Grad gemessen. Allerdings hatte COBE ein sehr niedriges Auflösungsvermögen, so daß diese Schwankungen heute eine Ausdehnung von einigen Milliarden Lichtjahren besitzen müßten.
Neue Untersuchungen der Hintergrundstrahlung durch Ballone und irdische Teleskope haben noch kleinräumigere Irregularitäten aufgespürt. Die Lücke zwischen den COBE-Variationen und der Verteilung der Galaxien-Superhaufen, wie sie durch die neue Studie beschrieben wird, beginnt sich also zu schließen. Bald schon könnten die Rätsel der Strukturbildung sich lösen. Denn zur Zeit werden zwei neue Satelliten geplant, die die kosmische Hintergrundstrahlung in bislang unerreichter Auflösung vermessen sollen.
Rüdiger Vaas
