Im Universum wurde eine riesige Struktur entdeckt, die eigentlich nicht existieren dürfte

Im Jahr 2021 absolviert Alexia M. Lopez ein Aufbaustudium an der University of Central Lancashire im Vereinigten Königreich. Als Lopez ihren Blick auf das 9,3 Milliarden Lichtjahre entfernte Sternbild Bootes richtete, stellte sie überrascht fest, dass ein aus 45 bis 50 Gaswolken bestehender Sternhaufen im Universum in einer nahezu symmetrischen, riesigen, halbmondförmigen Struktur angeordnet zu sein schien – dem Riesenbogen .

Zum Vergleich: Das gegenwärtig beobachtbare Universum ist etwa 94 Milliarden Lichtjahre breit, während dieser riesige Bogen sich über 3,3 Milliarden Lichtjahre im Weltraum erstreckt, fast 1/15 des Radius des beobachtbaren Universums .

Für Lopez ist ein so großer Bogen fast „surreal“ und seine Existenz scheint das kosmologische Prinzip zu verletzen, dass das Universum isotrop sein sollte . „Ich musste mich kneifen, das war eine unerwartete Entdeckung, ich konnte es überhaupt nicht glauben“, klagte sie in einem Interview mit der BBC.

Lopez präsentierte die Entdeckung des riesigen Bogens auf dem American Astronomy Meeting im Juni 2021 und veröffentlichte die Ergebnisse im Oktober 2022 in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Doch Lopez‘ Schicksal mit dieser eigenartigen Struktur endete damit nicht.

Im Januar dieses Jahres berichtete Lopez auf der 243. Tagung der American Astronomical Society (AAS) erneut über eine großräumige Struktur – den Großen Ring , der relativ nahe an dem zuvor entdeckten Riesenbogen liegt, und beide befinden sich in der Nähe des Sternbilds Bootes.

Der Durchmesser des Riesenrings beträgt etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre. Wenn wir ihn mit bloßem Auge auf der Erde sehen könnten, wäre er etwa 15-mal so groß wie der Vollmond am Nachthimmel. Der Ring scheint ein fast perfekter Kreis zu sein, doch Lopez‘ Analyse zufolge ähnelt er eher einer Spirale, mit dem Unterschied, dass das Loch zur Erde zeigt. Obwohl der Durchmesser des Riesenrings viel kleiner ist als der des Riesenbogens, ist sein Umfang mit dem des Riesenbogens vergleichbar .

Konzept des Bildkünstlers, wie riesige Bögen und Ringe am Himmel aussehen würden, wenn sie von der Erde aus sichtbar wären.

Bildnachweis: Stellarium/University of Central Lancashire/PA

Diese spektakulären Großstrukturen sind jedoch nicht nur aufgrund ihrer Größe ein Hingucker, sondern – noch wichtiger – ihre Existenz scheint die Astronomen vor eine Herausforderung zu stellen: Das Standardmodell der Kosmologie muss möglicherweise neu geschrieben oder überarbeitet werden.

Das Universum ist einheitlich ... oder doch nicht?

Wenn wir das gesamte Universum in einem ausreichend großen Maßstab beobachten, würden wir im Allgemeinen glauben, dass die Verteilung von Materie und Raumzeit gleichmäßig und isotrop ist, oder anders ausgedrückt, dass das Universum glatt und flach ist. Eine solche Beschreibung wird als kosmologisches Prinzip bezeichnet, das zusammen mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie den theoretischen Rahmen des Standardmodells der Kosmologie bildet. Die Homogenität und Isotropie bedeuten, dass das Universum, egal wo wir uns im Universum befinden, aus jeder Richtung betrachtet gleich aussehen sollte .

Obwohl das kosmologische Prinzip das Universum als einheitlich beschreibt, sehen wir, wenn wir das Universum beobachten, indem wir es wie ein Zoomobjektiv „fokussieren“ und dann allmählich „herauszoomen“, mehrere Planeten, die einen Stern umkreisen, Milliarden von Sternen, die eine Galaxie bilden, Tausende von Galaxien, die Galaxienhaufen bilden, und Galaxienhaufen, die Superhaufen bilden.

Diese Galaxien liegen nahe beieinander und bilden Filamente in großem Maßstab, reisen durch das riesige Universum, verflechten und verbinden sich miteinander und bilden ein dreidimensionales kosmisches Netz, das den interstellaren Raum abdeckt. In den Filamenten sammelt sich auf natürliche Weise Materie, und darüber hinaus gibt es Hohlräume, in denen die Materiedichte extrem gering ist. Ist das Universum also immer noch einheitlich?

Künstlerische Darstellung des kosmischen Netzes.

Bildnachweis: NASA

Ob es genau einheitlich ist, hängt vom Beobachtungsmaßstab ab. Vergleicht man das Universum mit dem Ozean, erscheint die Oberfläche des Ozeans aus der Nähe betrachtet (relativ gesehen) rau, aus der Ferne betrachtet jedoch glatt wie ein Spiegel. Im Großen und Ganzen ist die Verteilung der Materie im kosmischen Netz tatsächlich gleichmäßig. Aber auf relativ kleinen Skalen weist das Netz selbst auf eine ungleichmäßige Verteilung der Materie hin .

Tatsächlich sind es gerade großräumige Strukturen wie das kosmische Netz, die den Wissenschaftlern Rätsel aufgeben: Woher kommt die ungleichmäßige Verteilung der Materie? Wie hat sich das Universum zu dem entwickelt, was wir heute beobachten?

Zu diesem Zweck versuchen Astronomen, die zahlreichen Himmelskörper im Universum – seien es Sterne, Galaxien oder weit entfernte Galaxienhaufen – genauer zu vermessen, in der Hoffnung, genaue Karten des Universums zu erstellen und ihr Verständnis des Universums zu vertiefen. Der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) war ein daraus hervorgegangenes Projekt, und Lopez entdeckte diese unlogischen Strukturen, als er die Absorptionslinien von Quasaren in den früheren SDSS-Daten beobachtete.

Die von Lopez entdeckten „Riesenbögen“ und „Riesenringe“ ähneln auffälligen „Beulen“, die auf einer glatten Oberfläche erscheinen . Die beiden Strukturen liegen so nahe beieinander, dass sie sogar zu einer übergroßen Struktur zusammengeführt werden können. „Die Frage ist, wie kann eine so große Struktur entstehen?“ sagte Don Pollacco, Professor für Physik an der University of Warwick in Großbritannien. Es ist schwierig, sich den Mechanismus, durch den diese Struktur entstanden ist, konkret vorzustellen, aber er muss mit dem Entstehungsprozess der großräumigen Struktur des Universums zusammenhängen .

Als das Universum begann, sich auszudehnen, führten dem Standardmodell der Kosmologie zufolge winzige Störungen der Materiedichte dazu, dass sich Materie in einigen Bereichen anhäufte. Nach Milliarden von Jahren der Evolution führte die Schwerkraft schließlich dazu, dass sich diese Klumpen zu Sternen und Galaxien verdichteten und so die großräumige Struktur des Universums bildeten, das wir beobachten.

Allerdings müsse der Prozess lange genug dauern, sagte Subir Sarkar, Professor für theoretische Physik an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich. Das Alter des Universums ist begrenzt, theoretisch also nicht alt genug, um Objekte mit einem Durchmesser von mehr als 1,2 Milliarden Lichtjahren zu bilden. Die Erklärung für den Entstehungsprozess von Riesenbögen und Riesenringen mit einer Größe von mehr als drei Milliarden Lichtjahren bedarf also möglicherweise weiterer Diskussion.

Voller Riesen

Bei den von den Astronomen entdeckten großräumigen Strukturen handelt es sich jedoch nicht nur um Lopez‘ „Bögen“ und „Ringe“. Tatsächlich beobachteten zwei Astronomen bereits 1989 eine „Große Mauer“ aus Galaxien im Universum, die CfA2 Great Wall genannt wurde.

Diese durch die Ansammlung von Galaxien gebildete Wand ist etwa 500 Millionen Lichtjahre lang, 300 Millionen Lichtjahre breit und etwa 15 Millionen Lichtjahre dick. Später, im Jahr 2003, entdeckten Astronomen eine längere Galaxienwand, die Sloan Great Wall, die etwa 1,5 Milliarden Lichtjahre lang ist.

Im letzten Jahrzehnt haben Astronomen mit der rasanten Entwicklung der astronomischen Beobachtungstechnologie festgestellt, dass auch die Geschwindigkeit zunimmt, mit der diese Giganten sichtbar werden . Im Jahr 2016 entdeckten Astronomen die BOSS-Große Mauer, die sich über 1 Milliarde Lichtjahre erstreckt und aus 830 unabhängigen Galaxien besteht.

Die derzeit größte großräumige Struktur ist jedoch die 2013 entdeckte Große Mauer aus Herkules und Corona Borealis. Sie erstreckt sich über 10 Milliarden Lichtjahre, was mehr als einem Zehntel der Größe des beobachtbaren Universums entspricht.

Bildquelle: Wikipedia

Man kann sagen, dass diese Giganten die größten und schwersten Strukturen im Universum sind. Die meisten von ihnen überschreiten die theoretische Skalengrenze der „möglichen Entstehung“ und erfordern zudem eine ständige Überarbeitung des Standardmodells. (Dieser Prozess kommt von Zeit zu Zeit vor. Im letzten Jahrhundert gab es beispielsweise zwei Revisionen, bei denen in der einen die dunkle Materie und in der anderen die dunkle Energie einbezogen wurde.) Tatsächlich sagten Astronomen nach der Entdeckung großräumiger Strukturen wie der Sloan Wall in den Anfangsjahren voraus, dass wir durch künftige, detailliertere Galaxiendurchmusterungen mehr ähnliche Strukturen wie Riesenbögen und Riesenringe erkennen könnten.

Einige Wissenschaftler haben Lopez‘ Forschung jedoch in Frage gestellt. Wenn wir in den Himmel schauen und die verschiedenen Formen der Wolken sehen, können wir die Formen der Buchstaben „A, B“ und sogar verschiedener Tiere erkennen. Dies liegt daran, dass wir zwar sehr gut darin sind, aus zufälligen Objekten ein Muster zu extrahieren, dies ist jedoch nicht die tatsächliche Struktur. Sind die sogenannten „Bögen“ oder „Ringe“ von Galaxienhaufen nur eine zufällige Anordnung von Himmelskörpern ?

In der Giant Arc-Studie von 2021 führte Lopez eine Reihe statistischer Tests durch, die ein Konfidenzniveau von 99,9997 % für seine Ergebnisse zeigten. In diesem Fall, sagte Sarkar, könne man von einer echten Kette von Superhaufen sprechen. Die neu veröffentlichte Forschungsarbeit zu den Riesenringen wurde noch nicht von Experten begutachtet und bedarf möglicherweise weiterer Überprüfung.

Verweise

[1] https://www.uclan.ac.uk/news/big-ring-in-the-sky

[2] https://www.uclan.ac.uk/news/discovery-of-a-giant-arc-in-distant-space-adds-to-challenges-to-basic-assumptions-about-the-universe

[3] http://astronomy.nmsu.edu/cwc/Research/MgIIreview/mgii-over.html#basics

[4] https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos

[5] https://www.bbc.com/future/article/20230302-the-giant-arcs-that-may-dwarf-everything-in-the-cosmos

[6] https://www.cas.cn/kx/kpwz/202009/t20200901_4757786.shtml

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (ID: huanqiukexue)

Autor: Bu Zhou

Herausgeber: He Tong

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin