Galaxienhaufen und Superhaufen

Galaxien treten so gut wie nie isoliert auf: Sie schließen sich zu Haufen mit teils mehreren Tausend Mitgliedern zusammen, die durch ihre gegenseitige Schwerkraft verbunden sind, und diese wiederum organisieren sich in noch größeren Superhaufen. Die Milchstraße gehört zur Lokalen Gruppe, rund vierzig Galaxien, die von ihr selbst und der Andromeda-Galaxie dominiert wird — und die Lokale Gruppe ist wiederum Teil des Virgo-Superhaufens, einer Struktur, die sich über mehr als 100 Millionen Lichtjahre erstreckt.

In noch größerem Maßstab ordnen sich die Superhaufen zu Filamenten und riesigen, nahezu materiefreien Leerräumen an und bilden so das, was Astronomen das kosmische Netz nennen — die größte bekannte organisierte Struktur im Universum.

Dunkle Materie und Dunkle Energie

Die sichtbare Masse von Galaxien — Sterne, Gas, Staub — reicht bei Weitem nicht aus, um die Geschwindigkeit zu erklären, mit der sie rotieren oder sich zu Haufen zusammenschließen: Eine zusätzliche unsichtbare Masse, die Dunkle Materie, scheint etwa 27 % des Gesamtinhalts des Universums auszumachen — gegenüber nur 5 % für gewöhnliche Materie. Ihre Existenz wird ausschließlich aus ihren gravitativen Effekten abgeleitet — insbesondere dem Gravitationslinseneffekt, der auf dem Bild oben als gestreckte Lichtbögen sichtbar ist: Die Masse eines Galaxienhaufens verzerrt die Raumzeit und krümmt das Licht weit dahinterliegender Galaxien.

Der Rest, etwa 68 % des Universums, wäre Dunkle Energie — eine abstoßende Kraft, deren Natur völlig rätselhaft bleibt, deren beobachtete Wirkung jedoch darin besteht, die Expansion des Universums zu beschleunigen, statt sie, wie es die Schwerkraft allein bewirken würde, zu verlangsamen.

Rotverschiebung und die Expansion des Universums

Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto stärker erreicht uns ihr Licht in Richtung der roten Wellenlängen gestreckt — ein Effekt namens Rotverschiebung (Redshift), vergleichbar mit dem akustischen Doppler-Effekt einer sich entfernenden Sirene. Genau diese Beobachtung, gemacht von Edwin Hubble in den 1920er-Jahren, hat gezeigt, dass sich das Universum ausdehnt: Weit entfernte Galaxien entfernen sich voneinander, und je weiter sie entfernt sind, desto schneller tun sie das.

Diese Erkenntnis erlaubt es, kombiniert mit den Gesetzen der Physik, die Zeit bis zu einem extrem dichten und heißen Anfangszustand zurückzuverfolgen: den Urknall, vor etwa 13,8 Milliarden Jahren — ein Horizont, dem Bilder wie das des Webb-Teleskops oben Jahr für Jahr ein Stück näherkommen.

Gammastrahlenausbrüche und Gravitationswellen

Gammastrahlenausbrüche zählen zu den energiereichsten bekannten Ereignissen im Universum: Innerhalb von Sekunden bis Minuten setzen sie so viel Energie frei, wie die Sonne während ihrer gesamten Existenz produzieren wird. Man vermutet, dass sie mit dem Kollaps massereicher Sterne zu Schwarzen Löchern oder mit der Verschmelzung zweier Neutronensterne zusammenhängen — Ereignisse, die so hell sind, dass sie noch aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung nachweisbar bleiben, manchmal sogar vom Rand des beobachtbaren Universums.

Dieselben Verschmelzungen kompakter Objekte (Schwarze Löcher, Neutronensterne) erzeugen Gravitationswellen — Kräuselungen der Raumzeit selbst, 1916 von Einstein vorhergesagt und erstmals 2015 direkt von den LIGO-Detektoren nachgewiesen. Diese Entdeckung eröffnete eine völlig neue, das Licht ergänzende Art, das Universum zu beobachten, indem man den gewaltsamsten Kollisionen des Kosmos buchstäblich „zuhört".

Die kosmische Hintergrundstrahlung

Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall war das Universum ausreichend abgekühlt, damit Licht endlich frei reisen konnte, ohne ständig von der umgebenden Materie absorbiert und wieder abgestrahlt zu werden. Dieses ursprüngliche Licht, durch 13,8 Milliarden Jahre Expansion erheblich gedehnt, bis es zu einer Mikrowellenstrahlung von nur 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt wurde, durchflutet heute das gesamte Universum: Das ist die kosmische Hintergrundstrahlung, das älteste beobachtbare Licht — eine Art Foto des Universums als Baby.

Ihre winzigen Temperaturschwankungen, mit zunehmender Präzision von den Satelliten COBE, WMAP und schließlich Planck kartiert, entsprechen den Keimen der künftigen Strukturen — Haufen, Superhaufen, Filamente —, aus denen Milliarden Jahre später das kosmische Netz entstehen sollte, das wir heute beobachten.

Diese Karte, erstellt vom ESA-Satelliten Planck aus über vier Jahren Beobachtungen, projiziert den gesamten Himmel — die 360° rund um uns — auf eine einzige Ellipse, eine kartografische Technik, die von irdischen Weltkarten entlehnt ist. Die vollständig künstlichen Farben kodieren unglaublich winzige Temperaturabweichungen vom Mittelwert von 2,7 Kelvin: Die roten Bereiche sind nur minimal wärmer, die blauen nur minimal kälter — die Gesamtabweichung überschreitet nie ein Zehntausendstel Grad.

Trotz ihres winzigen Ausmaßes sind diese Schwankungen von zentraler Bedeutung: Sie stellen die Dichteunregelmäßigkeiten der Materie im frühen Universum dar, nur 380.000 Jahre nach dem Urknall — bevor die Schwerkraft diese leichten Materieüberschüsse über Milliarden Jahre verstärkte, um Galaxien, Haufen und schließlich die gesamte heute beobachtete großräumige Struktur zu formen. Eine so saubere Karte zu erstellen erfordert eine erhebliche Datenverarbeitung: Das Signal der Milchstraßenebene, deren Gas und Staub ebenfalls in diesen Wellenlängen strahlen, muss sorgfältig identifiziert und rechnerisch entfernt werden, damit nur die zugrunde liegende kosmologische Strahlung sichtbar bleibt.