Die größten kosmischen Strukturen widersprechen dem kosmologischen Prinzip

"Astronomin entdeckt rätselhafte Riesenstruktur im All.

Eine junge Forscherin aus Großbritannien hat einen gigantischen Ring aus Galaxien im Weltraum nachgewiesen – 1,3 Milliarden Lichtjahre groß. Nach gängigen Theorien dürfte es ihn gar nicht geben.

Die Astronomin, die eigentlich noch an ihrer Promotion arbeitet, hat eine Beobachtung gemacht, die Fachleute weltweit aufhorchen lässt. Denn sie stellt unser bisheriges Verständnis des Universums infrage.

Auf einer Tagung der American Astronomical Society in New Orleans hat Lopez von einer großen, runden Struktur, die aus Galaxien und Galaxienhaufen besteht, berichtet. Ihr Fund, ist so gigantisch, dass er als Big Ring, Großer Ring, bezeichnet wird – er gehört zu den größten bisher entdeckten Strukturen im Universum.

Der Durchmesser der Formation beträgt etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre, er ist mehr als neun Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und zu schwach, um ihn mit bloßem Auge zu erkennen. Wäre der große Ring ohne Hilfsmittel am Nachthimmel zu sehen, hätte er einen Durchmesser, der 15 Vollmonden entspräche.

Lopez und zwei Kollegen haben Daten aus dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS) analysiert, einem Katalog für Quasare, und dabei den Ring entdeckt. Quasare sind sehr helle und weit entfernte Galaxienkerne. Mit der Methode, die auf Algorithmen basiert, hatte die Forscherin vor zwei Jahren schon einmal ein sehr großes Objekt im All entdeckt, den sogenannten Großen Bogen (Giant Arc). Er ist mit einer Länge von 3,3 Milliarden Lichtjahren noch größer und befindet sich unweit des Großen Rings.

Das Interessante an diesen Entdeckungen ist: Eigentlich dürfte es sie gar nicht geben. Wenn man sich das Universum aus einiger Entfernung, sozusagen im großen Maßstab, anschaut, sollte ein Raum sichtbar sein, in dem die Materie von Planeten, Sternen, Galaxien und anderen Himmelskörpern relativ gleichmäßig verteilt ist. Das besagt zumindest das sogenannte kosmologische Prinzip, eine von dem britischen Astrophysiker Edward A. Milne 1933 postulierte Theorie."

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Durchmesser wie 15 Vollmonde: Astronomin entdeckt rätselhafte Riesenstruktur im All

Eine junge Forscherin aus Großbritannien hat einen gigantischen Ring aus Galaxien im Weltraum nachgewiesen – 1,3 Milliarden Lichtjahre groß. Nach gängigen…

www.spiegel.de

A Big Cosmological Mystery

The discovery of a second ultra-large structure in distant space by UCLan PhD student Alexia Lopez further challenges what we understand about the universe

www.uclan.ac.uk

"Eine intergalaktische ringförmige Überstruktur aus Galaxien und Galaxienhaufen – so groß, dass sie sich jeder Erklärung entzieht – wurde entdeckt. Dies ist eine Struktur, die so tief im Universum lebt, dass wir sie so sehen, wie sie vor etwa 9,2 Milliarden Jahren aussah.

Die riesige Struktur mit dem Spitznamen „Großer Ring“ hat einen Durchmesser von 1,3 Milliarden Lichtjahren und einen Umfang von etwa 4 Milliarden Lichtjahren. Es befindet sich auch in der Nähe eines anderen riesigen Überbaus, des „Giant Arc in the Sky“, der mit einem Durchmesser von 3,3 Milliarden Lichtjahren sogar noch größer ist. Der Riesenbogen befindet sich in ähnlicher Entfernung zu uns im Sternbild Bootes, der Hirte. Leider sind diese Strukturen viel zu schwach, um mit einem Hinterhofteleskop gesehen zu werden.

Tatsächlich wurden beide Strukturen bei Beobachtungen entdeckt, die Alexia Lopez mit dem 2,5-Meter-Teleskop des Sloan Digital Sky Survey am Apache Point in New Mexico, USA, durchgeführt hat. Interessanterweise hat Lopez, ein Ph.D. Student an der University of Central Lancashire im Vereinigten Königreich, diese Überstrukturen von Galaxien nicht entdeckt, weil sie hell sind, sondern weil sie einen Teil des Lichts absorbieren, das von weiter entfernten Quasaren ausgeht. Quasare sind das extrem leuchtende Innere aktiver Galaxien; Sie werden von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben.

„Die Identifizierung zweier außergewöhnlicher, ultragroßer Strukturen in solch enger Anordnung erhöht die Möglichkeit, dass sie zusammen ein noch außergewöhnlicheres kosmologisches System bilden“, sagte Lopez.

Der Große Ring ist nicht einmal ein Ring – er ist wie ein Slinky aufgerollt. Außerdem sehen wir es direkt.

Das Problem mit dem Großen Ring und dem Riesenbogen (und anderen ähnlichen Aufbauten) besteht jedoch darin, dass sie der kosmologischen Theorie widersprechen.

Der Theorie zufolge können alle Strukturen im Universum auf die sogenannte kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) zurückgeführt werden – den sogenannten „Feuerball des Urknalls“, den Wissenschaftler beobachten, wie er das Universum füllt. Während der ersten 300.000 Jahre der kosmischen Geschichte war das Universum ein Meer aus dichtem Plasma – also Atomkernen und freien Elektronen. Wellen schlugen durch dieses Plasma, wobei sich die Materie an den Spitzen zusammenballte und in den Tälern immer dünner wurde. Wissenschaftler nennen diese Wellen baryonische akustische Oszillationen oder BAOs.

Nach diesen 300.000 Jahren kühlte sich die Temperatur des Universums jedoch so weit ab, dass die Atomkerne die meisten Elektronen aufnehmen und vollständige Atome bilden konnten. Man könnte sagen, dass der kosmische Plasmaozean „ausgetrocknet“ ist; Kosmologen nennen es die „Epoche der Rekombination“. Ohne die Elektronen, die ständig Photonen streuen, konnte Licht erstmals ungehindert durch das Universum dringen. Das ist es, was wir als CMB erkennen.

Der CMB ist mit subtilen Temperaturschwankungen gesprenkelt, die Regionen mit größerer und geringerer Dichte entsprechen. Dies ist der Abdruck der letzten akustischen Wellen, die vor der Epoche der Rekombination durch das Plasma liefen. Die Spitzen der Wellen markieren das, was wir heute als „kosmisches Netz der Materie“ bezeichnen, und an diesen Spitzen begannen sich Galaxien und Galaxienhaufen zu bilden.

„Eine Möglichkeit besteht darin, dass der Große Ring mit baryonischen akustischen Schwingungen zusammenhängt“, sagt Lopez. „[Diese] entstehen durch Schwingungen im frühen Universum und sollten heute, zumindest statistisch, als Kugelschalen in der Anordnung von Galaxien erscheinen. Eine detaillierte Analyse des Großen Rings ergab jedoch, dass er nicht wirklich mit der BAO-Erklärung vereinbar ist: der große Ring ist zu groß und nicht kugelförmig.

Die kosmologische Theorie legt nahe, dass die größten Strukturen – in Form von Galaxienketten und Galaxienhaufen – die BAOs bilden könnten, höchstens 1,2 Milliarden Lichtjahre lang sein dürften. Doch der Umfang des Großen Rings und die Länge des Riesenbogens stellen diese Einschränkung in den Schatten. Um die Größe dieser Überstrukturen in den Kontext zu bringen: Der Riesenbogen misst ein Fünfzehntel des Radius des gesamten sichtbaren Universums.

Es gibt auch andere riesige Superstrukturen im Universum, wie zum Beispiel die Sloan Great Wall, der einen Durchmesser von 1,37 Milliarden Lichtjahren hat und etwa eine Milliarde Lichtjahre von uns entfernt ist. Die Südpolwand von Galaxien ist eine erst kürzlich entdeckte Struktur; sie ist 1,4 Milliarden Lichtjahre lang. Dann gibt es noch das Clowes-Campusana-LQG (Mitentdecker Roger Clowes ist auch Lopez‘ Doktorvater), eine riesige Gruppe von Quasaren, die sich über zwei Milliarden Lichtjahre erstreckt. Wir sehen diese alten Quasare so, wie sie vor etwa 9,5 Milliarden Jahren waren.

Der Laniakea-Superhaufen, zu dem die Milchstraße gehört, ist mit einem Durchmesser von nur 520 Millionen Lichtjahren vergleichsweise winzig.

Es gibt auch Hinweise auf noch größere Strukturen; Der „dunkle Fluss“ stellt die scheinbare Bewegung vieler Galaxien im sichtbaren Universum dar. Diese Bewegung scheint in eine bevorzugte Richtung zu verlaufen, als würde etwas über dem kosmischen Horizont die Galaxien in eine Richtung ziehen. Die Stärke der Beweise für den Dark Flow ist jedoch umstritten, da einige Astronomen seine Existenz im Allgemeinen bestreiten.

Dennoch sind diese Überstrukturen so groß, dass es nicht nur schwierig ist, ihre Entstehung zu verstehen, sondern auch zu entschlüsseln, wie sie das kosmologische Prinzip, einen zentralen Grundsatz des Standardmodells der Kosmologie, brechen. Dieses Prinzip besagt, dass die Verteilung der Materie im Universum im großen Maßstab gleichmäßig sein sollte und dass sich keine Region wesentlich von einer anderen Region unterscheiden sollte. Aber die Aufbauten, insbesondere der Große Ring und der Riesenbogen, stechen deutlich hervor.

„Keine dieser beiden ultragroßen Strukturen ist mit unserem derzeitigen Verständnis des Universums leicht zu erklären“, sagte Lopez. „Und ihre extrem großen Dimensionen, markanten Formen und kosmologische Nähe müssen uns sicherlich etwas Wichtiges sagen – aber was genau?“

Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Strukturen auf exotische Formen der derzeit bekannten Physik oder vielleicht sogar auf neue Physik hinweisen. Beispielsweise hat der Nobelpreisträger Sir Roger Penrose, emeritierter Professor an der Universität Oxford, ein Modell namens „Konforme zyklische Kosmologie“ vorgeschlagen, um ein zyklisches Universum zu beschreiben. Nach diesem Modell könnten sich Hinweise auf Gravitationswellen aus früheren Äonen des Universums als riesige ringförmige Strukturen im CMB manifestieren. Penroses Modell hat sich bei Kosmologen nicht als beliebt erwiesen, aber der Große Ring und der Riesenbogen könnten dem Modell eine würdige Chance geben?

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Überstrukturen ein Beweis für kosmische Strings sind, bei denen es sich um hypothetische eindimensionale Defekte in der Raumzeit handelt, von denen angenommen wird, dass sie während des Urknalls entstanden sind. Kosmische Strings könnten sich möglicherweise über Milliarden von Lichtjahren erstrecken, dabei aber schmaler als die Breite eines Protons sein. Es wurde vermutet, dass, wenn kosmische Strings existieren, diese die Anhäufung von Materie beeinflussen könnten.

„Der Große Ring und der Riesenbogen, sowohl einzeln als auch zusammen, geben uns ein großes kosmologisches Rätsel, während wir daran arbeiten, das Universum und seine Entwicklung zu verstehen“, schloss Lopez.

Lopez präsentierte die Ergebnisse auf der 243. Tagung der American Astronomical Society."

An impossibly huge ring of galaxies might lead us to new physics. Here's how

The ring of galaxies, appropriately called the "Big Ring," has a circumference of nearly 4 billion light-years.

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A Big Cosmological Mystery

The discovery of a second ultra-large structure in distant space by UCLan PhD student Alexia Lopez further challenges what we understand about the universe

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