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Die Lage des Großen Rings (in blau) und des Riesenbogens (in rot) am Himmel (Bildnachweis: Stellarium)

Eine intergalaktische ringförmige Superstruktur aus Galaxien und Galaxienhaufen – so groß, dass sie sich nicht erklären lässt – wurde entdeckt. Es handelt sich um eine Struktur, die so tief im Universum lebt, dass wir sie so sehen, wie sie vor etwa 9,2 Milliarden Jahren war.

Die riesige Superstruktur, die den Spitznamen „Großer Ring“ trägt, hat einen Durchmesser von 1,3 Milliarden Lichtjahren und einen Umfang von etwa 4 Milliarden Lichtjahren. Er befindet sich auch in der Nähe einer anderen riesigen Superstruktur, des „Riesenbogens am Himmel“, der mit einem Durchmesser von 3,3 Milliarden Lichtjahren sogar noch größer ist. Der Riesenbogen befindet sich in ähnlicher Entfernung zu uns im Sternbild Boötes, der Hirte. Leider sind diese Überstrukturen viel zu schwach, um mit einem Hinterhofteleskop gesehen zu werden.

Beide Überstrukturen wurden bei Beobachtungen mit dem 2,5-Meter-Teleskop des Sloan Digital Sky Survey am Apache Point in New Mexico (USA) von Alexia Lopez entdeckt. Interessanterweise entdeckte Lopez, Doktorandin an der University of Central Lancashire in Großbritannien, die Galaxien in diesen Überstrukturen nicht, 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 von zwei außergewöhnlichen ultragroßen Strukturen in einer so engen Konfiguration lässt die Möglichkeit aufkommen, dass sie zusammen ein noch außergewöhnlicheres kosmologisches System bilden“, sagte Lopez in einer Erklärung.

Der Große Ring ist eigentlich gar kein Ring – er ist aufgerollt wie eine Art Slinky. Außerdem sehen wir ihn von der Seite.

Das Problem mit dem Großen Ring und dem Riesenbogen (und anderen ähnlichen Überstrukturen) ist, dass sie der kosmologischen Theorie widersprechen.

Der Theorie zufolge lassen sich alle Strukturen im Universum auf die so genannte kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) zurückführen – den so genannten „Feuerball des Urknalls“, den die Wissenschaftler beobachten, der das Universum erfüllt. In den ersten 300.000 Jahren der kosmischen Geschichte war das Universum ein Meer aus dichtem Plasma, d. h. aus Atomkernen und freien Elektronen. Dieses Plasma wurde von Wellen durchdrungen, wobei sich die Materie an den Spitzen bündelte und in den Tälern spärlicher wurde. Wissenschaftler bezeichnen diese Wellen als baryonische akustische Oszillationen (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 Plasma-Ozean „austrocknete“; Kosmologen nennen dies die „Epoche der Rekombination“. Ohne die Elektronen, die ständig Photonen streuten, konnte sich das Licht zum ersten Mal ungehindert durch das Universum bewegen. Das ist es, was wir als CMB wahrnehmen.

Das 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 schwappten. Die Spitzen der Wellen markieren das, was wir heute als „kosmisches Materiegeflecht“ bezeichnen, und an diesen Spitzen begannen sich Galaxien und Galaxienhaufen zu bilden.

Der Große Ring ist auf der x-Achse nahe bei 0 zentriert und erstreckt sich ungefähr von -650 bis +650, was einem Durchmesser von etwa 1,37 Milliarden Lichtjahren entspricht. (Bildnachweis: SDSS/Alexia Lopez (UCLan))

„Eine Möglichkeit ist, dass der Große Ring mit baryonischen akustischen Oszillationen zusammenhängt“, sagt Lopez. „Diese entstehen durch Schwingungen im frühen Universum und sollten heute, zumindest statistisch gesehen, als kugelförmige Schalen in der Anordnung der 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. Der Umfang des Großen Rings und die Länge des Riesenbogens übersteigen diese Grenze jedoch bei weitem. Um zu verdeutlichen, wie riesig diese Überstrukturen sind, entspricht der Riesenbogen einem Fünfzehntel des Radius des gesamten sichtbaren Universums.

Es gibt auch andere riesige Überstrukturen im Universum, wie die Sloan Great Wall, die einen Durchmesser von 1,37 Milliarden Lichtjahren hat und etwa eine Milliarde Lichtjahre von uns entfernt ist. Die Südpol-Galaxienwand ist eine erst kürzlich entdeckte Struktur mit einer Länge von 1,4 Milliarden Lichtjahren. Dann gibt es noch die Clowes-Campusana LQG (der Mitentdecker Roger Clowes ist auch der Doktorvater von Lopez), 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 fließen, so als ob etwas über dem kosmischen Horizont die Galaxien in eine Richtung ziehen würde. Die Stärke der Beweise für den dunklen Fluss ist jedoch umstritten, und einige Astronomen bestreiten seine Existenz generell.

Diese Überstrukturen sind jedoch so groß, dass es nicht nur schwierig ist zu verstehen, wie sie entstanden sind, sondern auch, wie sie das kosmologische Prinzip verletzen, einen zentralen Grundsatz des Standardmodells der Kosmologie. Dieses Prinzip besagt, dass die Verteilung der Materie im Universum in großen Maßstäben gleichmäßig sein sollte und dass sich keine Region wesentlich von einer anderen Region unterscheiden sollte. Doch die Überstrukturen, insbesondere der Große Ring und der Riesenbogen, heben sich deutlich ab.

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

Eine Möglichkeit ist, dass die Strukturen auf exotische Formen der derzeit bekannten Physik oder vielleicht sogar auf eine neue Physik hindeuten. Der Nobelpreisträger Sir Roger Penrose, emeritierter Professor an der Universität Oxford, hat beispielsweise ein Modell namens „Conformal Cyclic Cosmology“ vorgeschlagen, um ein zyklisches Universum zu beschreiben. Nach diesem Modell könnten sich Beweise für Gravitationswellen aus früheren Äonen des Universums als riesige ringförmige Strukturen im CMB manifestieren. Penroses Modell hat sich unter Kosmologen nicht als populär erwiesen, aber könnten der Große Ring und der Riesenbogen ihm eine würdige Chance geben?

Eine andere Möglichkeit ist, dass die Überstrukturen Beweise für kosmische Strings sind, also hypothetische eindimensionale Defekte in der Raumzeit, die sich vermutlich während des Urknalls gebildet haben. Kosmische Strings könnten sich möglicherweise über Milliarden von Lichtjahren erstrecken und dabei schmaler sein als ein Proton. Es wurde vermutet, dass kosmische Strings, falls sie existieren, die Clusterbildung der Materie beeinflussen könnten.

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

Lopez stellte die Ergebnisse auf der 243. Tagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft vor.