Laniakea, der unermessliche Himmel

Der Virgo-Galaxienhaufen in circa 50 Millionen Lichtjahre Entfernung. Die Galaxie M87 ist oben links zu sehen. Quelle: APOD Credit & Copyright: Fernando Pena

 Irgendwann im Kindesalter lernen wir unsere eigene Adresse aufzusagen und uns so zu verorten. Dabei ist es ganz natürlich vom Nahem und Anschaulichem zum zunehmend Fernen und Abstrakten voranzuschreiten. Wir kennen unser Haus, unsere Straße, unseren Stadtteil, unsere Stadt und fahren so in der Beschreibung unseres Ortes fort. Aber wo endet diese Kette? Welches ist die größte Struktur, die sinnvollerweise in die Beschreibung unserer Adresse gehört. Es muss eine Struktur sein, irgendwo zwischen unserer Heimatgalaxie der Milchstraße und dem Universum als Ganzem.

Laniakea ist der Name der derzeit größten Struktur im Kosmos, der wir uns zugehörig fühlen können. Astronomen wählten dieses Wort aus der hawaiianische Sprache, um diese gewaltige, 500 Millionen Lichtjahre durchmessende Ansammlung aus Galaxien und Dunkler Materie zu bezeichnen. Das Wort klingt schön und ehrt auch die maßgeblichen Forschungseinrichtungen, die sich auf dieser Inselgruppe befinden.

Vom Großen Attraktor zu Laniakea

Wie ist dieses gewaltige Gebilde Laniakea anschaulich zu begreifen? Auf dem Planeten Erde begleiten wir unsere Sonne auf ihrer Reise um das Zentrum der Milchstraße. Unsere Milchstraße bildet mit ihren beiden Schwestern, der Andromeda- und der Dreiecksgalaxie eine Galaxiengruppe, die einfach nur Lokale Gruppe genannt wird. Die drei großen Galaxien dieser Gruppe werden noch von zahlreicheren kleineren Welteninseln begleitet. Berühmt und mit bloßem Auge sichtbar sind die Magellanschen Wolken, kleine Begleiter unserer Milchstraße.

Unsere Lokale Gruppe steht unter dem Einfluss einer viel größeren Ansammlung von Galaxien, nämlich dem Virgo-Haufen. Dieser Galaxienhaufen befindet sich im Sternbild Jungfrau (Virgo) und wird von einer riesigen Spiralgalaxie namens Messier 87 dominiert. 

Unsere Adresse könnte also mit „Lokale Gruppe am Rande des Virgo-Haufens“ enden. Eine Gruppe von Astronomen, die sieben Samurai genannt, wollte es aber genauer wissen und versuchte in den Achtzigerjahren die kosmische Landkarte zu erweitern. Dabei entdeckten sie den Großen Attraktor, einen Bereich unserer kosmischen Umgebung, die den Virgo- und andere Galaxienhaufen anzieht. Der Titel eines modernen Klassikers der Sachbuchliteratur lautet Reise zum großen Attraktor. Der Autor Alan Dressler hat ihn sehr treffend gewählt. Das Buch beschreibt gleich zwei Reisen: Die Reise der Galaxien und die Reise der Astronomen zur Erkenntnis,

In dieser Tradition steht auch das neue Sachbuch Von der Vermessung des Kosmos und der Entdeckung von Laniakea der französischen Astronomin Hélène Courtois. Sie gibt einen lebendigen Bericht von der Erforschung der großen Strukturen des Kosmos in der Nachfolge der sieben Samurai. Lebendig ist dieser Bericht, weil die Astronomin maßgeblich an dieser Forschung beteiligt ist und so aus erster Hand erzählen kann.

Hélène Courtois Von der Vermessung des Kosmos, Kosmos-Verlag, Stuttgart, 2021

Was bedeutet es aber eigentlich, zu einer Struktur im Kosmos zu gehören? Die alles dominierende Kraft auf der Skala von Millionen Lichtjahren ist die Gravitation. Sie gestaltet in Zusammenarbeit mit der Dunklen Materie die großen Strukturen im Kosmos. Zu einer Struktur zu gehören bedeutet, gravitativ an sie gebunden zu sein, was sich wiederum durch die Anziehung, also die Geschwindigkeit verrät. So verrät sich der Große Attraktor dadurch, dass die Galaxien auf ihn zuströmen.

Die beobachtenden Astronomen müssen für ihre Kosmografie, ihre kosmischen Landkarten, also zwei Dinge wissen: Wo befindet sich eine Galaxie und wohin bewegt sie sich? Hélène Courtois und ihren Mitstreitern gelang es diese Informationen von circa 18.000 Galaxien in einer Entfernung bis zu 600 Millionen Lichtjahren empirisch zu bestimmen. Die Beschreibung der Vorgehensweise der Astronomen ist der Kern ihres Buches.

Von der Vermessung der Galaxien

Woher also wissen Astronomen, wo eine Galaxie ist und wie sie sich bewegt? Mit einem genügend großen Teleskop ist es kein Problem eine riesige Anzahl von Galaxien auf der Himmelskugel zu entdecken. Die Richtung ist einfach. Schwierig wird es bei der dritten Dimension, also der Entfernung. Hier bedienen sich die Astronomen eines Tricks: Sie messen wie hell eine Galaxie uns irdischen Beobachtern im Teleskop erscheint. Dann spekulieren sie, wie hell eine Galaxie sein müsste, wenn sie in unmittelbarer Nachbarschaft zu uns stünde. Aus dem Unterschied dieser beiden Helligkeit ergibt sich die Entfernung. Eigentlich sehr anschaulich und naheliegend. Das Problem ist nur die Spekulation darüber, wie hell eine Galaxie aus nächster Nähe aussehen würde, also wie viel Licht sie abgibt. Dafür haben die Astronomen zwei empirische Formeln entwickelt, die jeweils nach ihren Entdeckern benannt sind: Faber-Jackson-Methode und Tully-Fisher-Methode der Entfernungsbestimmung. 

Besonders letztere Methode spielt bei der Arbeit der Astronomin Hélène Courtois eine bedeutende Rolle und sie funktioniert so: Man messe die Geschwindigkeit der Rotation einer sich um die eigene Achse drehenden Spiralgalaxie. Das ist dank dem Doppler-Effekt relativ leicht. Aus der Rotationsgeschwindigkeit lässt sich auf die Masse der Galaxie schließen. Je massereicher eine Galaxie ist, desto heller ist sie. Genau das ist die Masse-Leuchtkraft-Beziehung nach Tully und Fisher. So kann also von der Rotation auf die Helligkeit geschlossen werden. Vergleicht man diese errechnete Helligkeit mit der im Teleskop gemessenen, erhält man die Entfernung.

Diese Entfernung benötigt man auch zur Beschreibung der Geschwindigkeit der Galaxie. Eine Galaxie hat nämlich zwei Arten von Geschwindigkeit, die säuberlich getrennt werden müssen: Eine Galaxie bewegt sich, weil sie gravitativ angezogen wird, und sie bewegt sich, weil sich das Universum ausdehnt. Wenn wir die Strukturen entdecken wollen, die Galaxien gravitativ anziehen, müssen wir von der gemessenen Geschwindigkeit einfach nur die Geschwindigkeit abziehen, die sich aus der Expansion des Universums ergibt: 

v(gravitativ) = v(gemessen) – v(flucht)

Die Fluchtgeschwindigkeit lässt sich aber nach dem Hubble-Lemaitre-Gesetz aus der Entfernung berechnen: 

v(flucht) = H x D (also Hubble-Konstante mal Entfernung)

Im Wesentlichen ist das bereits der Kern der Theorie der Kosmografie. Die Schwierigkeiten liegen wie immer im Detail. Hélène Courtois führt in ihrem Buch ausführlich in die Theorie ein, erläutert aber auch die Schwierigkeiten bei der konkreten Umsetzung. So verhindert zum Beispiel unsere eigene Milchstraße den Blick auf ferne Galaxien, die vom Staubband der Milchstraße verdeckt werden. Die Daten bekommen eine Lücke, Zone of Avoidance genannt, die sich auch mit weltraumgestützten Infrarotsatelliten nicht vollständig schließen lässt. 

Mit Hilfe des Großrechners SuperMUC in München gelingt dem Team um Hélène Courtois eine spektakuläre Visualisierung ihrer Daten. Sie zeigt, wie die Galaxien sich im Gefälle der Gravitation bewegen. 

Das gleicht einem Land, in dem ein Netzwerk aus Bächen und Flüssen ein Entwässerungssystem bilden, in dem das Wasser der Gravitation folgend bergab fließt. So wird jeder Tropfen Wasser, der als Regen auf Deutschland fällt, früher oder später entweder in der Nordsee oder im Schwarzen Meer landen. Die sogenannten Wasserscheiden geben die Grenzen an, auf deren Seiten die Tropfen in das jeweils andere Meer fließen. So kann zum Beispiel das Entwässerungssystem der Donau genau anhand der Wege nachgezeichnet werden, die die ganzen Zuflüsse der Donau und schließlich auch die Donau selbst bilden. Der Motor dieser Entwässerung ist die Gravitation, die im Schwarzen Meer auf Meeresspiegelhöhe gewissermaßen endet. Diese Analogie macht auch Laniakea verständlich. Dieser Superhaufen besteht aus Galaxien, die sich in Richtung Großer Attraktor bewegen – eine Art Entwässerungssystem für Galaxien. Alle Galaxien, die an dieser Bewegung teilnehmen gehören zu Laniakea. So wie unsere Milchstraße auch, die sich übrigens mit 630 Kilometer pro Sekunde bewegt. Der Superhaufen Laniakea ist der größte Teil unserer kosmischen Adresse, die größte Struktur, die wir derzeit kennen, abgesehen vom Universum selbst.

Die Analogie mit dem Entwässerungssystem hat allerdings einen Haken: Der Regentropfen, der in Augsburg fällt, erreicht irgendwann wirklich das Schwarze Meer. Das Universum dehnt sich aber aus, so dass eine Galaxie nie den Großen Attraktor erreichen wird. Im Bild des Entwässerungssystem wäre das so, als ob der Tropfen zwar immer in Richtung Schwarzes Meer fließt, es aber nie erreicht, weil sich die Erde ausdehnt und das Schwarze Meer sich entfernt, obwohl sich der Tropfen ständig in diese Richtung bewegt.

Die große Leere und das kosmologische Prinzip

Übrigens: Wo Fülle ist, da ist auch Leere. Wenn die Galaxien dem Großen Attraktor zustreben, entstehen Bereiche im Kosmos, in denen die Materiedichte besonders gering ist. Solche leeren Blasen im Universum werden Voids genannt. Unsere Milchstraße befindet sich am Rande solch eines Nichts.

Das lokale Nichts (Local Void). Im Zentrum der Grafik: Unsere Milchstraße

Die Arbeit von Hélène Courtois geht weiter: Wo liegen die Grenzen von Laniakea? Wie groß sind die anderen Superhaufen? Ist Laniakea ein durchschnittlicher Superhaufen und vielleicht sogar Teil einer noch größeren Superstruktur? Im letzten Kapitel ihres Buches geht die Autorin darauf ein.

Im Zusammenhang mit der Größe der Superhaufen steht auch das sogenannte kosmologische Prinzip. Es besagt, dass unser Universum homogen und isotrop ist. Das bedeutet nichts anderes, als dass die Materie gleichmäßig verteilt ist und das Universum in jeder Richtung gleich aussieht. Hélène Courtois schreibt: 

„Dieses Prinzip wurde 1917 von Albert Einstein eingeführt, der eine symmetrische Welt benötigte, um die Gleichungen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie mathematisch lösen zu können.“ 

Das Prinzip ist in kleinen räumlichen Skalen verletzt. In der eigenen Wohnung ist die Materie weder gleichmäßig verteilt, noch sieht es in jeder Richtung gleich aus. Wir können uns aber gut vorstellen, dass das kosmologische Prinzip erfüllt ist, wenn wir nur genügend große Ausschnitte des Universums betrachten, denn wäre dem nicht so, dann gäbe es im Universum einen ausgezeichneten Punkt und eine besondere Richtung. Für ihre weitere Forschung fragt sich also Hélène Courtois: 

„Von welchem Maßstab an gilt das kosmologische Prinzip?“ 

Sehr beeindruckend ist, dass die Kombination der Beobachtungsdaten mit den rein theoretischen Simulationen zur kosmologischen Strukturbildung zum ersten Mal ganz reale Strukturen wie den Virgo-Haufen am Computer hervorbrachte. Diese Verbindung von Simulation und Beobachtung ist ein Thema, das in diesem Buch immer mitschwingt. Hier gewährt die Autorin einen wunderbaren Einblick in die moderne Wissenschaft.

Das Buch von Hélène Courtois ist in gleichen Teilen ein persönlicher Forschungsbericht und ein Sachbuch zur Astronomie. Es erinnert an weitere neuere Bücher wie Auf der Suche nach den ältesten Sternen von Anna Frebel oder Licht im Dunkeln: Schwarze Löcher, das Universum und wir von Heino Falcke und ist auf jeden Fall genauso lesenswert.

Literatur: Hélène Courtis Von der Vermessung des Kosmos und der Entdeckung von Laniakea, aus dem Französischen übersetzt von Justina Engelmann, Kosmos-Verlag, Stuttgart 2021

Hörtipp: Sternengeschichten Folge 343: Der Supergalaxienhaufen Laniakea 

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