Bei einer systematischen Kartierung der Materieverteilung im Universum bis zu einer Entfernung von etwa einer Milliarde Lichtjahren anhand von Galaxienhaufen, haben wir die bisher größte, sicher vermessene Struktur im nahen Universum entdeckt. Sie weist eine Länge von zirka 1,4 Milliarden Lichtjahren auf. Mit dieser Vermessung wurden 86 Prozent des Himmels und damit fast das ganze kosmische Volumen bis zur Kartierungsgrenze erfasst. Unter sechs gefundenen Superstrukturen hebt sich das neu entdeckte Gebilde durch seine enorme Größe besonders hervor.

Wenn wir Beobachtungen des Universums im Großen durchführen, um die Parameter des Modells festzulegen, das unser Universum am besten beschreibt, gehen wir meist von einer homogenen Verteilung der Materie aus, was durchaus gerechtfertigt ist.

Schauen wir uns jedoch in unserer unmittelbaren kosmischen Umgebung um, sehen wir massereiche Supergalaxienhaufen und große Leerräume, in denen es kaum Galaxien und Materie gibt. Will man die kosmologischen Beobachtungen mit hoher Präzision interpretieren, muss man diese Inhomogenitäten bei der Analyse der Daten berücksichtigen. Ein einfaches Beispiel ist die Messung der Hubble-Konstante. Wenn man diese einmal in Richtung eines Superhaufens und einmal in Richtung eines Leerraums misst, wird man geringe Unterschiede feststellen. Solche Unterschiede wurden in der Literatur bereits dokumentiert, sind aber umstritten. Es wird eine zukünftige Aufgabe sein, solche Unterschiede mit der beobachteten kosmischen Materieverteilung in Einklang zu bringen. Eine Karte der massereichsten Strukturen im nahen Universum für die Kosmologie zur Verfügung zu stellen, war deshalb die wichtigste Motivation für die Arbeit unseres Teams: Joachim Trümper und Hans Böhringer vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Gayoung Chon vom Max-Planck-Institut für Physik, Renee Kraan-Korteweg von der Universität in Cape Town und Norbert Schartel von der ESA in Spanien.

Das Unsichtbare sichtbar machen

Um die kosmische Materieverteilung mit vorwiegend Dunkler Materie zu kartieren, benötigt man sichtbare Objekte, die möglichst treu diese Verteilung nachzeichnen. Galaxienhaufen sind die größten klar definierten Objekte im Kosmos, welche durch die Gravitation zusammengehalten werden. Sie folgen der Materieverteilung besonders präzise und markieren als helle Röntgenstrahler die kosmische Struktur wie Leuchttürme eine Küstenlinie. Nun braucht man nur noch einen recht vollständigen und wohldefinierten Katalog von Galaxienhaufen. Auf der Basis des Himmelsatlas des Röntgensatelliten ROSAT, des ersten Atlas, der mit einem abbildenden Röntgenteleskop erstellt wurde und sich über den ganzen Himmel erstreckt, haben wir Galaxienhaufen anhand ihrer Röntgenstrahlung entdeckt. Diese Emission kommt daher, weil sich zwischen den Galaxien im Haufen fein verteiltes, aber sehr heißes Gas befindet. Mit einer Vielzahl von optischen Beobachtungen wurden die Haufen genauer identifiziert und ihre Entfernungen bestimmt; außerdem wurde ein höchst vollständiger Katalog zusammengestellt, der es erlaubt, die dreidimensionale Verteilung der Galaxienhaufen zu erfassen.

Damit hatten wir bereits unsere nähere kosmische Umgebung bis zu einer Entfernung von 416 Millionen Lichtjahren vermessen und unter Zuhilfenahme von Simulationen gezeigt, dass Galaxienhaufen die Verteilung der Materie genau nachzeichnen. Mit einem Entfernungsbereich von 416 bis 826 Millionen Lichtjahren betraten wir nun jedoch völliges Neuland: Dieser Bereich wurde noch nie vollständig kartiert. Darin fallen einige dichte Strukturen sofort auf, zum Beispiel in der rechten unteren Ecke der bekannte und prominente Shapley-Superhaufen.

Unser Ziel war es nun, die größten Strukturen zu finden, die mindestens die doppelte Dichte der mittleren kosmischen Materiedichte haben. Um alle Mitglieder solcher Strukturen zu finden, verwenden wir eine »friends to friends«-Technik, das heißt, wir verbinden alle Objekte, die sich näher stehen als eine maximal erlaubte Distanz. Diese maximale Distanz ist exakt so eingestellt, dass die zusammenhängenden Objekte mindestens das Doppelte der mittleren Dichte aufweisen. Wir haben dann die größten Objekte ausgewählt, die mindestens 20 Galaxienhaufen enthalten, und fanden die fünf Superstrukturen. Um sie komplett zu erfassen, erlaubten wir auch Verbindungen außerhalb des Suchvolumens – eine Erweiterung um knapp 20 Prozent.

Bereits bekannt ist der Herkules-Superhaufen, der auch in den näheren Bereich hineinreicht. Die Überraschung ist aber die enorm große Struktur, die in der Abbildung rot markiert ist und von hohen Breiten im Norden bis fast zum Südende des Himmels reicht. Im Norden bricht die Struktur dort ab, wo der Himmel durch die galaktische Scheibe abgeschattet wird. Wir sehen aber auf der gegenüberliegenden Seite dieser blinden Zone der Karte wieder eine Ansammlung von Galaxienhaufen. Es ist daher sehr gut möglich, dass diese Struktur noch ausgedehnter ist. Wir sehen die neue Superstruktur auch in einer dreidimensionalen Darstellung (siehe »Quipu in 3-D«). Hier erscheint sie als langes Filament mit kleinen Seitensträngen. Diese spezielle Form erinnert an die Knotenschnüre der Inkas – von ihnen Quipu genannt –, die aus einer langen Schnur bestehen, an die kurze Seitenstränge mit jeweils einigen Knoten angeknüpft sind. Sie wurden von den Inkas zur Kommunikation und Buchhaltung genutzt. Da wir die meisten Entfernungsmessungen der Galaxienhaufen an Observatorien der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile durchgeführt haben, wo man im Archäologischen Museum in Santiago de Chile diese Objekte bewundern kann, haben wir der neuen Struktur diesen Namen gegeben.

Die Ausdehnung von Quipu, gemessen als Abstand der beiden am weitesten voneinander entfernten Galaxienhaufen, kommt auf eine Rekordlänge von über 1,4 Milliarden Lichtjahren. Eine grobe Massenabschätzung liefert einen Wert von 2,4 × 10¹⁷ Sonnenmassen. Damit ist Quipu etwas größer als die bislang größte Struktur namens »Sloan Great Wall« mit einer Länge von zirka 1,1 Milliarden Lichtjahren, die außerhalb des von uns untersuchten Volumens liegt.

Vergleich mit Durchmusterung 2MASS und Simulationen

Neben den Galaxienhaufen kann man die großräumige Struktur auch mit Hilfe von Galaxien kartieren. Die beste hierfür zur Verfügung stehende Ganzhimmelsdurchmusterung ist der Two Micron All Sky Survey (2MASS), bei dem die Galaxien durch ihre Helligkeit im Nahinfraroten ausgewählt wurden. Schon in der ersten Karte war die Verteilung dieser Galaxien dargestellt, doch das lässt sich noch deutlicher zeigen, und zwar als Dichtekarten für Galaxien (siehe »Himmelskarte mit 2MASS«). Die Galaxienhaufenmitglieder der Superstrukturen sind darin ebenfalls eingezeichnet. Galaxien und Haufen markieren eindeutig die gleichen Gebilde. Wieder ist Quipu die prominenteste Verdichtung. Man erkennt erneut die mögliche Fortsetzung der Quipu-Struktur auf der anderen Seite der galaktischen Scheibe.

In gleicher Weise wie die Beobachtungen haben wir die kosmologische Millennium-Computersimulation nach Superstrukturen untersucht. Die Simulation deckt ein etwa fünfmal größeres Volumen ab und gibt uns so eine bessere Statistik. Wir finden ein ganz ähnliches Größenspektrum von Superstrukturen und können daher zeigen, dass unsere Beobachtungen mit dem kosmologischen Standardmodell inklusive Einsteins kosmologischer Konstante vollkommen vereinbar sind. Aus dem Vergleich der Beobachtungen mit Galaxienhaufen und Galaxien und den Studien der Simulationen kommen wir zu dem Schluss, dass die Superstrukturen zirka 45 Prozent aller Galaxienhaufen, 30 Prozent aller Galaxien und etwa 25 Prozent der gewöhnlichen und Dunklen Materie enthalten und ungefähr 13 Prozent des Volumens einnehmen.

Effekte der Superstrukturen

Auf Beobachtungen in den Weiten des Universums haben diese Strukturen in unserer Umgebung einen Einfluss: Die großen Massen führen zu einer winzigen Ablenkung des Lichts von Objekten im Hintergrund. Solche Gravitationslinseneffekte werden gegenwärtig vom europäischen Satelliten Euclid vermessen. Die beschriebenen Strukturen werden dabei einen Beitrag leisten, der aber nicht leicht zu trennen sein wird von der Wirkung einer Reihe von noch weiter entfernten Strukturen.

Eine direkte Gravitationskraftwirkung üben die Superstrukturen auf die Eigenbewegung unseres Milchstraßensystems in der Lokalen Gruppe aus. Gegenüber dem Bezugssystem des Mikrowellenhintergrunds bewegt sich die Lokale Gruppe mit einer Geschwindigkeit von etwa 600 Kilometern pro Sekunde. Bisher konnte man diese Bewegung noch nicht ganz durch die Anziehungskraft der beobachteten Massenansammlungen erklären, aber Modellrechnungen in der Literatur zeigen, dass das von uns kartierte Volumen dazu nun ausreichen sollte.

Als weitere interessante Auswirkung der Superstrukturen haben wir eine Modifikation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, den integrierten Sachs-Wolfe-Effekt, genauer untersucht. Das geht so: Wenn die Lichtteilchen (Photonen) des kosmischen Hintergrunds auf dem Weg aus dem fernen Universum eine Superstruktur passieren, fallen sie in ihr Gravitationspotenzial und gewinnen dabei Energie. Bei einem statischen Gebilde verlieren sie genau diese Energie wieder, wenn sie aus dem Potenzial »herausklettern«. Im beschleunigt expandierenden Kosmos verändert sich jedoch das Potenzial während des langen Lichtwegs durch die Struktur, und die Photonen verlieren vergleichsweise weniger Energie beim Verlassen der Struktur: Sie erreichen uns dann mit einer Nettoblauverschiebung.

Wir haben die Beobachtungen des Mikrowellenhintergrunds genutzt, die mit dem ESA-Satelliten Planck gemacht wurden. Ziel war es, den gerade beschriebenen Effekt zu finden. Dazu haben wir Modellrechnungen durchgeführt, um zu ermitteln, wie groß die Auswirkung in etwa sein sollte. Wir haben für die fünf Superstrukturen tatsächlich einen Effekt von annähernd der erwarteten Stärke gefunden, und zwar auf einer Skala am Himmel, die mehreren Sternbildern entspricht. Leider haben die kosmischen Fluktuationen des Mikrowellenhintergrunds auf dieser Skala ungefähr die gleiche Stärke, und unser Signal lässt sich nicht zweifelsfrei von diesen Zufallsschwankungen trennen. Der Effekt ist trotzdem wichtig. Gelingt es uns, die Superstrukturen noch viel genauer zu vermessen als beim ersten Mal, ließe sich der Effekt genauer vorhersagen und vom kosmischen Hintergrund abziehen. Damit könnten wir die Vermessung des Mikrowellenhintergrunds noch präziser zum Test kosmologischer Modelle verwenden.