Superstrukturen im All

Zudem ist die kosmische Dynamik wichtig. Einerseits gibt es Pekuliargeschwindigkeiten: Die Himmelsobjekte bewegen sich im Gravitationsfeld ihrer Umgebung unterschiedlich schnell sowie teils in verschiedene Richtungen, teils gemeinsam in Strömen. Andererseits führt die Ausdehnung des Weltraums zu einer Zerstreuung gravitativ zu schwach gebundener Strukturen. Seltsamerweise beschleunigt sich die aus dem Urknall stammende kosmische Expansion seit ein paar Milliarden Jahren sogar.

Galaxienhaufen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Materiedichte deutlich von den größeren Strukturen. Die Haufen haben typischerweise eine mehr als 200 Mal so hohe Dichte wie der kosmische Durchschnitt heute. Dessen Wert, die mittlere gegenwärtige Materiedichte ρ₀, beträgt einschließlich der ominösen Dunklen Materie rund 2,5 · 10²⁷ Kilogramm pro Kubikmeter. Galaxienhaufen haben sich überwiegend von der Expansion abgekoppelt und bleiben daher auch in einigen 100 Milliarden Jahren noch gravitativ gebunden.

Für die meisten Superhaufen von Galaxien trifft dies jedoch nicht zu. Sie werden durch die beziehungsweise mit der Ausdehnung des Alls zerrissen und fragmentiert. Die kritische Grenze hängt von den kosmischen Parametern ab. Gemäß des gegenwärtigen kosmologischen Standardmodells muss die Überdichte mindestens das Achtfache von ρ₀ betragen. Dann halten solche Strukturen zusammen. Hans Böhringer und seine Kollegin Gayoung Chon haben zusammen mit Saleem Zaroubi von der niederländischen Universität Groningen 2015 in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics vorgeschlagen, solche gravitativ gebundenen Gebilde Supersteshaufen zu nennen (von lateinisch „superstes“: Überlebender). „Dieses Kriterium ist jedoch zu hart und erfasst viele interessante Strukturen nicht oder nicht in voller Größe. Deshalb wird es nicht oft angewendet“, sagt Böhringer.

Auflösung oder Zusammenhalt

Ein Beispiel für einen Supersteshaufen ist der innere Bereich des Shapley-Haufens im Sternbild Zentaur. Er zählt mit über 10¹⁶ Sonnenmassen zu den massereichsten bekannten Superhaufen. Innerhalb des zentralen Radius von knapp 60 Millionen Lichtjahren kann seine Schwerkraft der kosmischen Expansion widerstehen. Shapleys kompakter Kern wird also erhalten bleiben, auch wenn ihm die Galaxien in seinem dünneren Halo entrissen werden.

Die Dichte typischer Superhaufen ist allerdings geringer als die der kompakten Supersteshaufen. Deshalb müssen sie sich in ferner Zukunft auflösen. Und obwohl sie die Pekuliargeschwindigkeiten selbst von vielen 100 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxien und Galaxienhaufen beeinflussen, werden diese nur so schwach angezogen, dass die kosmische Expansion sie nie dorthin gelangen lässt. Beispielsweise bewirkt die Gravitation des bis zu 700 Millionen Lichtjahre fernen Shapley-Superhaufens eine Bewegungskomponente unserer Milchstraße mit bis zu 200 Kilometer pro Sekunde in dessen Richtung. Dennoch kann die Milchstraße Shapley niemals erreichen. Und der Superhaufen Laniakea, zu dem sie zu gehören scheint, bildet auch keine gravitativ gebundene Einheit. Selbst der Virgo-Haufen, der ein wesentlicher Bestandteil von Laniakea ist und in dessen Außenbezirk sich die Milchstraße befindet, vermag als Ganzes der allmählichen Auflösung des Alls nicht zu trotzen.

Die Dichten der riesigen Superstrukturen wie Quipu sind noch geringer als die typischer Superhaufen. Hier beträgt die Überdichte lediglich etwa einen Faktor 2. Kosmisch betrachtet sind sie also eher ephemere Erscheinungen. Sie seien Übergangskonfigurationen wie auch die meisten dichteren Superhaufen, betonen Hans Böhringer und Gayoung Chon, die inzwischen am Max-Planck-Institut für Physik arbeitet, ebenfalls in Garching bei München.

Fünf Riesenstrukturen in unserer Umgebung

Für ihre Untersuchung haben die Astronomen einen fast vollständigen Röntgenatlas der Galaxienhaufen im relativ nahen Universum verwendet. Er heißt CLASSIX (Cosmic Large-Scale Structure in X-rays). „Der Katalog wurde mithilfe des Röntgensatelliten ROSAT erstellt, der 1990 zum ersten Mal mit einem hochauflösenden Röntgenteleskop den gesamten Himmel erfasst hat“, sagt Joachim Trümper. Der emeritierte Direktor des MPE hatte dort das ROSAT-Projekt geleitet und ist Mitverfasser der Quipu-Studie. Der deutsche Röntgensatellit war am 1. Juni 1990 ins All gestartet worden und bis 1999 in Betrieb. Er hat beinahe den gesamten Himmel gescannt und 125.000 Röntgenquellen entdeckt.

CLASSIX basiert auf dem ROSAT All-Sky Survey, überdeckt mehr als 86 Prozent des Himmels und verzeichnet über 1.900 Galaxienhaufen bis zu Distanzen von knapp einer Milliarde Lichtjahre. Die Röntgenstrahlung ihres heißen Gases wurde bei Energien von 0,1 bis 2,4 Kiloelektronenvolt gemessen. Ihre Entfernungen, soweit nicht schon bekannt, wurden durch zahlreiche optische Nachbeobachtungen bestimmt: vor allem von der Europäischen Südsternwarte auf dem Berg La Silla in Chile und dem deutsch-spanischen Observatorium auf dem Calar Alto, aber auch mithilfe anderer Teleskope, etwa vom South African Observatory in Sutherland. Diese gravitativ gebundenen Röntgenhaufen sind exzellente Marker der großräumigen Materieverteilung im Weltraum. Das zeigen auch kosmologische Computersimulationen.

Der nächstgelegene große Superhaufen heißt Perseus-Pisces. Schon 1978 haben ihn Mikhel Jôeveer und Jaan Einasto vom Tartu-Observatorium in Estland beschrieben. Er war auch von Böhringers Team eingehend analysiert worden, bereits in einer 2021 veröffentlichten Studie. Dem CLASSIX-Katalog zufolge enthält er mindestens 22 Galaxiengruppen und -haufen. Er erstreckt sich über eine Länge von fast 380 Millionen Lichtjahren und besitzt eine Gesamtmasse von 60 bis 240 Billiarden (10¹⁵) Sonnenmassen.

Böhringers Team hat nun ein kugelschalenförmiges Volumen rings um die Milchstraße untersucht, das einen Rotverschiebungsbereich der Galaxienhaufen von 0,03 bis 0,06 abdeckt. Im kosmologischen Standardmodell entspricht das Distanzen von 416 bis 826 Millionen Lichtjahren. In diesem Volumen verzeichnet CLASSIX 345 Haufen. 155 davon gehören zu fünf prominenten Superstrukturen mit mehr als 20 Galaxienhaufen, die jeweils durchschnittlich gut 100 Millionen Lichtjahre von ihren benachbarten Haufen entfernt sind. Werden noch fernere Regionen berücksichtigt, lassen sich insgesamt 185 Mitglieder dieser fünf Superstrukturen identifizieren.

In der neuen Studie hatte Böhringer neben Quipu vier weitere Superstrukturen im Visier: Die bekannteste enthält den Shapley-Superhaufen, ist über 290 Millionen Lichtjahre lang (Rotverschiebungsbereich 0,038 bis 0,056) und 0,8 · 10¹⁷ Sonnenmassen schwer, einschließlich der Dunklen Materie. Noch ausgeprägter sind Herkules (500 Millionen Lichtjahre lang, 0,6 · 10¹⁷ Sonnenmassen), Sculptor-Pegasus (700 Millionen Lichtjahre, 1,3 · 10¹⁷ Sonnenmassen) und mit 34 CLASSIX-Haufen insbesondere Serpens-Corona Borealis (760 Millionen Lichtjahre, 1,8 · 10¹⁷ Sonnenmassen). Die Namen beziehen sich auf die Sternbilder, in denen sich die Gebilde vorwiegend befinden.

Deutlich größer jedoch ist Quipu. Diese Superstruktur umfasst im CLASSIX-Katalog 68 Galaxienhaufen; 20 davon befinden sich am nördlichen Sternenhimmel. Im Süden endet Quipu nahe der Milchstraßenebene in der Nähe des Vela-Superhaufens. Die bisherigen Analysen zeigen keine Verbindung. Aber Böhringers Team schließt nicht aus, dass es noch unentdeckte Galaxienhaufen hinter dem schwer zu durchspähenden Gas- und Staubband unserer Galaxis gibt, sodass Quipu vielleicht in Vela übergeht. Auch im Norden könnte Quipu noch länger sein und sich auf die andere Seite der galaktischen Ebene erstrecken. Dann wäre Quipu sogar noch gigantischer als bislang gedacht.

Quipu liegt in einer Rotverschiebungsregion von 0,027 bis 0,065 und hat eine Masse von schätzungsweise 2,4 · 10¹⁷ Sonnenmassen. „Mit einer Länge von 1,4 Milliarden Lichtjahren ist Quipu signifikant größer als jede andere bekannte Superstruktur im nahen Universum“, staunt Böhringer.

Selbst die berühmte, 2003 erstmals beschriebene Sloan Great Wall, die im Rahmen der SDSS-Durchmusterung (Sloan Digital Sky Survey) entdeckt wurde, ist allenfalls genauso groß, aber rund eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt. Sie besteht aus mehreren Superhaufen in den Konstellationen Zentaur, Wasserschlange und Rabe. Die anderen bekannten „Galaxienmauern“ sind kleiner.

Infrarotdaten zur Bestätigung

Nicht nur im CLASSIX-Katalog sticht Quipu hervor. Böhringer und sein Team haben das gigantische Gebilde auch im unabhängigen 2MASS-Katalog aufgespürt (Two Micron All Sky Survey). Er verzeichnet über 300 Millionen Objekte am ganzen Himmel und basiert auf Messungen im nahen Infrarot (1,2 bis 2,2 Mikrometer Wellenlänge). Die Daten stammen von je einem 1,3-Meter-Teleskop am Whipple Observatory auf dem Mount Hopkins in Arizona sowie am Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile aus den Jahren 1997 bis 2001. 2MASS ist der detaillierteste Katalog von Galaxien mit bekannten Distanzen.

Im Rotverschiebungsbereich von 0,03 bis 0,06 zeigt 2MASS signifikant mehr Galaxien dort, wo es laut CLASSIX besonders viele Galaxienhaufen gibt. Die Dichteverteilung beider Kataloge ist stark korreliert, was die Interpretation der CLASSIX-Daten stärkt. Und in 2MASS tritt die Quipu-Superstruktur neben den vier anderen ebenfalls deutlich hervor. Das ist erstaunlicherweise zuvor niemandem aufgefallen.

„Ich wundere mich, warum man diese Struktur noch nicht bemerkt hatte, zumal sie ja auch im 2MASS-Katalog gut zu sehen“, sagt Böhringer. „Vermutlich gibt es zwei Gründe: Die meisten Himmelsdurchmusterungen, etwa SDSS, erfassen nicht den ganzen Himmel. Und die meisten Leute konzentrierten sich auf kleinere, dichtere Strukturen.“ Auch die sehr präzisen CosmicFlows-Kataloge halfen hier nicht. „Sie sind im Volumen begrenzt, da sie auf absoluten Entfernungsmessungen beruhen. Deshalb sieht das CosmicFlows-Team höchstens die nahen Ausläufer von Quipu.“

Superstrukturen sind eine wichtige Komponente im Universum. Sie enthalten rund 45 Prozent der Galaxienhaufen, 30 Prozent der Galaxien und 25 Prozent der Materie, obwohl sie nur etwa 13 Prozent des Volumens ausmachen, schätzen Böhringer und sein Team. Zum Vergleich: Superhaufen mit Überdichten bis zu einem Faktor 7 beherbergen etwa die Hälfte aller Haufen und okkupieren circa 10 Prozent des Volumens im heutigen Universum. Obwohl die Materie kurz nach dem Urknall nahezu gleich verteilt war, mit Dichteunterschieden von höchstens 1 zu 30.000, hat sie die Schwerkraft also inzwischen stark konzentriert.

Die neuen Messungen passen zum kosmologischen Standardmodell (andere tun dies nicht unbedingt – siehe BDW 12/2024, „Die größten Strukturen im Weltraum“). Selbst Superstrukturen wie Quipu sind damit vereinbar, wie Computersimulationen schon früher gezeigt haben.

Kosmologische Tests

Die Kartierung des Alls ist nicht nur wichtig, um unseren Ort im Universum und dessen Aufbau zu verstehen. Sie ist zudem eine Grundlage für kosmologische Messungen und die Modellbildung. Denn darauf haben die Superstrukturen ebenfalls einen Einfluss. „Auch wenn es sich dabei nur um Korrekturen von wenigen Prozent handelt, werden diese mit zunehmender Genauigkeit der kosmologischen Beobachtungen immer wichtiger“, betont Gayoung Chon.

Sie wies zusammen mit ihren Kollegen nach, dass Quipu & Co. die Messungen der Hubble-Konstante geringfügig beeinflussen, also den Wert der gegenwärtigen Ausdehnungsrate des Alls. Diese wichtige Kenngröße des Alls ist zurzeit Anlass für eine der größten Kontroversen unter Astronomen (BDW 4/2020, „Kosmologie in der Krise“).

Auch in der Kosmischen Hintergrundstrahlung haben die Galaxienhaufen winzige Spuren hinterlassen. Die Mikrowellen sind kurz nach dem Urknall entstanden und spielen die maßgebliche Rolle bei der Bestimmung der kosmologischen Parameter (BDW 9/2013, „Der Himmels-Code“). Wenn Photonen dieses ersten Lichts im All die Gravitationsmulden der Superstrukturen passieren, kann sich ihre Frequenz beziehungsweise Temperatur geringfügig ändern. Dies liegt nur im Bereich von Millionstel Kelvin – doch das ist die Größenordnung der Temperaturfluktuationen aufgrund der Dichteschwankungen im primordialen Plasma.

Böhringers Team konnte den Effekt im Hinblick auf Quipu und andere Superstrukturen allerdings nicht mit hinreichender statistischer Signifikanz nachweisen. Noch ist die Rolle der Riesen auf der kosmischen Bühne ungewiss. ■