Das größte Ding im Universum

Vor mehr als zehn Jahren stellten Astronomen bei der Messung der Temperatur des Universums etwas Merkwürdiges fest. Sie entdeckten, dass ein Fleck am Himmel, der sich über die Breite von 20 Monden erstreckte, ungewöhnlich kalt war.

Die Astronomen maßen die Mikrowellenstrahlung, die das gesamte Universum durchdringt, ein glühendes Relikt des Urknalls. Ein Blick auf diesen kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) bedeutet, einen Blick auf das ursprüngliche Universum zu werfen, eine Zeit, in der es weniger als 400.000 Jahre alt war.

Was sich jetzt als wichtigste Hypothese herauskristallisiert, ist ein kosmischer Supervoid

Der CMB bedeckt den Himmel und sieht überall ziemlich gleich aus, schwelend bei einer schwachen Temperatur von 2,725 Kelvin – nur ein paar Grad wärmer als der absolute Nullpunkt. Doch mit dem gerade gestarteten WMAP-Satelliten hatten sich die Astronomen vorgenommen, Temperaturschwankungen zu untersuchen, die so winzig sind wie ein Teil von 100.000. Diese zufälligen Fluktuationen, die aus dem Quantenschaum entstanden sind, aus dem das Universum einen halben Moment nach dem Urknall bestand, helfen den Wissenschaftlern zu verstehen, woraus der Kosmos besteht und wie alles entstanden ist.

Und inmitten dieser Fluktuationen stach ein kalter Punkt hervor. Im Laufe der Jahre haben die Astronomen alle möglichen Erklärungsansätze entwickelt, die von instrumentellen Fehlern bis hin zu Paralleluniversen reichen. Aber jetzt sind sie auf einen Hauptverdächtigen gestoßen: eine riesige Höhle der Leere, ein so genanntes kosmisches Supervoid, das so groß ist, dass es die größte Struktur im Universum sein könnte.

Der Theorie zufolge kann eine solche riesige Leere, in der kein einziger Stern oder eine Galaxie existiert, einen kalten Abdruck im CMB hinterlassen. Die Antwort auf das Rätsel könnte also ganz einfach lauten: eine ganze Menge Nichts. Dennoch bleiben Rätsel bestehen, und der Fall ist noch lange nicht abgeschlossen.

Wie man einen kalten Fleck erzeugt

Der kalte Fleck ist nicht das einzige seltsame Ding im CMB. Wissenschaftler haben mehrere andere derartige Anomalien gefunden – zum Beispiel erscheinen die Signale der Hälfte des Himmels etwas stärker als die der anderen Hälfte. Die Standardtheorie der Kosmologie, die sonst die Details des CMB vorhersagt, kann diese Merkwürdigkeiten, von denen der kalte Fleck eine der auffälligsten ist, nicht vollständig erklären.

Ein wirklich großer Fleck könnte als eine Art verzerrende Linse wirken

Die einfachste Erklärung für die Anomalien ist, dass es sich um Zufallsfunde handelt, Artefakte des Zufalls unter den zufälligen Temperaturschwankungen des CMB. Wenn man hundertmal eine Münze wirft, besteht immer die Chance, dass man 20, 30 oder sogar 50 Mal hintereinander Kopf erhält. Die Herausforderung für die Wissenschaftler besteht darin, herauszufinden, ob diese Anomalien auf Glück oder auf eine gewichtete Münze zurückzuführen sind. Was den kalten Fleck angeht, so zeigen die Daten, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um einen Zufall handelt, bei eins zu 200 liegt. Nicht unmöglich, aber auch nicht wahrscheinlich.

Einige Wissenschaftler hatten vermutet, dass der kalte Fleck auf instrumentelle Fehler oder die Art der Datenanalyse zurückzuführen sei. Doch im Jahr 2013 bestätigten neue Beobachtungen des Planck-Satelliten frühere Entdeckungen des kalten Flecks. Und das verlangte nach einer Erklärung.

Was sich jetzt als wichtigste Hypothese herauskristallisiert, ist ein kosmischer Supervoid. Die gesamte Materie im Kosmos – Galaxien und unsichtbare dunkle Materie – erstreckt sich in einem riesigen Netz aus Bahnen, Ranken und Fäden durch den Raum. Dazwischen befinden sich Taschen der Leere, sogenannte Voids, die es in vielen Formen und Größen gibt. Eine wirklich große Leere könnte wie eine Art verzerrende Linse wirken und das CMB kühler erscheinen lassen, als es in Wirklichkeit ist.

Während ein Photon in einer Leere vor sich hin tuckert, dehnt sich das Universum immer schneller aus

Der Grund ist folgender: Wenn sich das Licht durch einen Hohlraum bewegt, verliert es Energie und seine Frequenz nimmt ab, wobei es sich zum rötlicheren Ende des Spektrums hin bewegt. Wie die meisten Dinge ist auch Licht anfällig für den Einfluss der Schwerkraft, die auf Photonen auf ihrer Reise einwirken kann. Im Inneren eines Hohlraums gibt es jedoch aufgrund des Mangels an Materie kaum Schwerkraft, die das Licht beeinflussen könnte. Für ein Photon ist das Fliegen durch einen Hohlraum wie das Klettern über einen Berg. Und das Klettern erfordert Energie.

Aber das Photon kann diese Energie zurückgewinnen. Sobald es das Vakuum verlässt, ist es wieder von Materie umgeben, und die Gravitationskraft reicht aus, um es anzuziehen und ihm die verlorene Energie wieder zuzuführen.

Damit ein Photon Energie verliert, ist die beschleunigte Expansion des Universums erforderlich. Während ein Photon in einer Leere dahin tuckert, dehnt sich das Universum immer schneller aus. Wenn das Photon den Hohlraum verlässt, stellt es fest, dass sich – dank der kosmischen Ausdehnung – die gesamte Materie ausgebreitet hat. Da die Materie nun weiter verteilt ist, ist ihre Gravitationswirkung nicht mehr so stark. Sie kann das Photon nicht mehr so stark anziehen wie zuvor, und das Photon kann nicht mehr die Energie zurückgewinnen, die es einmal hatte.

Es könnte eine Leere geben, die weniger als 3 Milliarden Lichtjahre entfernt ist

Physiker haben dieses Phänomen bereits in den späten 1960er Jahren berechnet, aber niemand hat es tatsächlich beobachtet. Nach der Entdeckung des kalten Flecks begannen Astronomen wie Istvan Szapudi von der Universität von Hawaii, nach Beweisen für dieses Verhalten zu suchen, das als integrierter Sachs-Wolfe-Effekt (ISW) bezeichnet wird. Im Jahr 2008 wurde er fündig.

Der erstaunliche Supervoid

Szapudi konnte keine einzelnen Hohlräume identifizieren, die Abdrücke im CMB hinterlassen – dazu fehlten ihm die Daten. Stattdessen suchten er und sein Team in einer statistischen Analyse von 100 Voids und Galaxienhaufen nach einem übergreifenden ISW-Effekt, dessen Gravitationskraft eine wärmende Wirkung erzeugt und heiße Stellen im CMB hinterlässt. Die Forscher fanden einen echten ISW-Effekt, der die Temperatur des CMB um durchschnittlich etwa 10 Millionstel Kelvin oder 10 Mikrokelvin verändert.

Im Vergleich zum kalten Fleck, der etwa 70 Mikrokelvin kälter ist als der Durchschnitt des CMB, ist der Effekt gering. Aber es ging darum, zu zeigen, dass Hohlräume kalte Flecken erzeugen können. Wäre ein Hohlraum groß genug, könnte er möglicherweise den kalten Fleck erzeugen. „Wenn dieser kalte Fleck die größte Anomalie im CMB ist, könnte er sehr wohl ein Zeichen für eine große Leere sein – eine sehr seltene Leere im Universum“, sagt Szapudi. „Also dachte ich, wir sollten jetzt danach suchen.“

Die Leere ist riesig. Sie hat einen Radius von 220 Megaparsec

Bei seinem ersten Versuch im Jahr 2010 fand er nichts. Aber die Daten waren begrenzt und deckten nur einige wenige Punkte innerhalb des Flecks ab. Interessanterweise zeigten die Ergebnisse auch, dass es in einer Entfernung von weniger als 3 Milliarden Lichtjahren eine Leere geben könnte.

Im vergangenen Jahr versuchten er und sein Team es erneut, diesmal mit viel mehr Daten, die mehr als 200 Mal mehr Himmel abdeckten und den gesamten kalten Fleck umfassten. Mit so viel mehr Daten – bestehend aus Tausenden von Galaxien – verdichteten sich die früheren Andeutungen zu einer echten Leere. Die Daten waren unmissverständlich. „Wir sind absolut sicher, dass es eine Leere gibt“, sagt Szapudi. „Darauf würde ich mein Haus verwetten.“

Und die Leere ist riesig. Sie hat einen Radius von 220 Megaparsec, das sind mehr als 700 Millionen Lichtjahre, und ist damit eine der größten – wenn nicht sogar die größte – physikalische Struktur im Universum.

Eine so große Leere ist ungewöhnlich, es gibt vielleicht nur eine Handvoll davon, sagt Szapudi. Dass sich eine so seltene Leere mit dem kalten Fleck überschneidet – ebenfalls eine Seltenheit – scheint zu unwahrscheinlich, um nur ein Zufall zu sein. Wahrscheinlicher ist, so Szapudi, dass die Leere die Ursache für den kalten Fleck ist. Er hat berechnet, dass dieses Szenario 20.000 Mal wahrscheinlicher ist, als wenn sich die beiden Objekte zufällig überschneiden würden.

Andere sind sich noch nicht sicher. Für Astronomen wie Patricio Vielva von der Universität von Cantabria in Spanien, der die Entdeckung des kalten Flecks im Jahr 2004 leitete, ist die Seltenheit der Leere noch fraglich. Sollte sich herausstellen, dass solche Leerräume weiter verbreitet sind, wäre diese Ausrichtung nicht so bemerkenswert. Vielleicht ist es auch nur ein Zufall. Deshalb brauchen die Forscher mehr Daten, um zu beurteilen, wie selten diese Supervoide sind. „Im Moment denke ich, dass dies eines der wichtigsten Dinge ist, die es festzustellen gilt“, sagt Vielva.

Nicht kalt genug

Aber es gibt ein größeres Problem.

Das Supervoid kann das CMB nicht kalt genug machen. Ein Supervoid dieser Größe kann das CMB nur um 20 Mikrokelvin abkühlen. Der kalte Fleck ist jedoch im Durchschnitt um 70 Mikrokelvin kälter. An manchen Stellen beträgt der Temperaturabfall 140 Mikrokelvin.

Ein möglicher Grund für die Diskrepanz ist, dass das Vakuum tatsächlich größer ist als gemessen. In diesem Fall wäre der ISW-Effekt stärker. Angesichts der Unsicherheiten von Szapudis Messungen könnte sich der Radius der Leere bis zu 270 Megaparsec erstrecken. Doch selbst das, so Vielva, ist nicht groß genug, um den kalten Fleck zu erklären.

Nach den derzeitigen kosmologischen Theorien ist das Universum möglicherweise gar nicht in der Lage, eine Leere zu bilden, die groß genug ist. „Das Problem ist, dass die Art von Leere, die man für diesen Effekt braucht, nicht existiert“, sagt Vielva.

Weitere Beobachtungen werden es den Astronomen ermöglichen, genauere Messungen der Größe und der Eigenschaften des Supervoids vorzunehmen

Aber wenn es keine Leere ist, was dann? Vielleicht, so Vielva, ist der kalte Fleck auf eine kosmologische Textur zurückzuführen, einen Defekt im Universum, der mit den Rissen oder Flecken im Eis vergleichbar ist. Als sich das frühe Universum entwickelte, durchlief es einen Phasenübergang, ähnlich wie beim Gefrieren von Wasser, das sich von flüssig in fest verwandelt. Im Eis entstehen Defekte, wenn die Wassermoleküle nicht in einer Reihe stehen. Im Universum könnte man Texturen erhalten. Im Jahr 2007 half Vielva zu zeigen, dass eine Textur, wenn sie existiert, den kalten Fleck durch den ISW-Effekt erzeugen könnte.

Texturen sind jedoch spekulativ, und niemand hat einen Beweis für ihre Existenz gesehen. „Texturen sind eine nette Idee, aber wir haben keine Ahnung, ob diese Dinge realistisch sind oder nicht“, sagt Rien van de Weijgaert, Astronom an der Universität Groningen in den Niederlanden.

Für die meisten Astronomen, sagt van de Weijgaert, scheint ein Supervoid immer noch die beste Erklärung zu sein. „Mittlerweile gilt das als eine der glaubwürdigsten Möglichkeiten“, sagt er. „Es ist das Ausmaß des Effekts, das man in Frage stellen könnte, aber es ist nicht unglaublich.“

Die Hypothese der Leere ist sicherlich faszinierend, sagt Vielva. Aber die Temperaturdiskrepanz muss erst geklärt werden.

Wir wissen einfach nicht, wie die Geschichte ausgeht. Ich glaube nicht, dass irgendjemand das weiß.

Mehr Daten würden helfen. Mehr Beobachtungen würden es den Astronomen zum Beispiel ermöglichen, die Größe und die Eigenschaften des Supervoids genauer zu bestimmen. Sie könnten auch zeigen, ob es im Vordergrund eine kleinere Leere gibt, die zur Abkühlung des CMB beitragen könnte. Vielleicht ist der kalte Fleck auch deshalb so kalt, weil sich der Supervoid vor einer Region des CMB befindet, die bereits etwas kälter ist als normal.

Auch wenn die Zahlen jetzt nicht stimmen, ist das kein Grund zur Sorge. „Da die Unsicherheiten so groß sind, sollte man sich zum jetzigen Zeitpunkt keine Sorgen machen“, sagt Carlos Frenk, Astrophysiker an der Universität Durham in Großbritannien. Er vermutet, dass sich das Supervoid mit mehr Daten und Analysen als die richtige Antwort herausstellen wird. „

Wenn dies der Fall ist, stellt der kalte Fleck die erste Messung eines Objekts – eines Supervoids – dar, das durch den ISW-Effekt einen Abdruck in der CMB hinterlässt. Das ist unter anderem deshalb von Bedeutung, weil das Supervoid einfach so riesig ist. Das Supervoid könnte aber noch in anderer Hinsicht wichtig sein: „Wir haben eine weitere Möglichkeit, die dunkle Energie zu untersuchen, die das Merkwürdigste im Universum ist“, sagt Szapudi.

Der ISW-Effekt funktioniert nur, weil sich das Universum immer schneller ausdehnt, und die mysteriöse Kraft, die den Kosmos auseinandertreibt, ist die dunkle Energie. Durch die Messung des ISW-Effekts am Supervoid können die Forscher den Einfluss der dunklen Energie untersuchen – und besser verstehen, wie sie sich verhält und was sie ist.