Sternengeschichten Folge 343: Der Supergalaxienhaufen Laniakea

Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video.

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Sternengeschichten Folge 343: Der Supergalaxienhaufen Laniakea

Heute geht es in den Sternengeschichten wieder einmal ganz nach draußen. Beziehungsweise werfen wir einen Blick auf die sehr, sehr großen Strukturen im Universum. In Folge 63 habe ich ja schon mal über die großräumige Struktur des Kosmos gesprochen. Darüber, dass die Erde Teil des Sonnensystems ist, das Sonnensystem Teil der Milchstraßengalaxie die zusammen mit jeder Menge anderer Galaxie einen Galaxienhaufen bildet. Der wiederum mit anderen Galaxienhaufen einen Supergalaxienhaufen bildet und die vielen Supergalaxienhaufen im Universum bilden noch größere Strukturen.

Es ist aber gar nicht so einfach, diese großen Strukturen zu identifizieren und herauszufinden, was wozu gehört. Beim Sonnensystem ist es ja noch recht simpel: Alles was die Sonne dauerhaft umkreist, ist Teil des Sonnensystems. Und alle Sterne die sich um das Zentrum der Milchstraße bewegen sind Teil unserer Galaxie. Aber danach wird es schon ein wenig schwieriger. Wenn man die Bewegung der Galaxien selbst betrachtet sind die Dinge nicht mehr so klar. Bei Galaxien gibt es keine so klare Hierarchien mehr.

Die Sonne hat sehr viel mehr Masse als all die Himmelskörper die sie umkreisen. Sie ist das klare Zentrum des Sonnensystems und auch bei der Milchstraße ist in deren Zentrum sehr viel mehr Masse als in den äußeren Bereichen. Betrachtet man aber die Galaxien, die sich in einem Galaxienhaufen bewegen, gibt es selten ein einziges dominierendes Objekt um das herum sich alle anderen Galaxien bewegen. Die Systeme aus Milliarden von Sternen haben alle zumindest annäherungsweise die gleiche Masse und sie wirbeln durcheinander ohne das klar ist, wer jetzt zu wem gehört. Vor allem weil das “wirbeln” selbstverständlich höchst übertrieben war. Galaxien bewegen sich zwar wie alle anderen Objekte im Universum und sie tun das schneller als die Planeten oder Sterne. Aber die Größenskalen auf denen diese Bewegung stattfindet ist enorm. Die anderen Galaxien sind absurd weit von uns entfernt und die Abstände zwischen ihnen sind gewaltig. Die Umkreisung zweier Galaxien kann Millionen Jahre dauern und die Bewegung aller Objekte in einem Galaxienhaufen zu untersuchen ist ein kompliziertes Unterfangen. Nur weil wir ein paar Galaxien am Himmel in der gleichen Region sehen können heißt das noch lange nicht, dass sie auch zusammengehören und gemeinsam durch ihre wechselseitige Gravitationskraft aneinander gebunden sind.

Künstlerische Darstellung der Milchstraße mit Scheibe (außen) und dem hellen Bulge in der Mitte (Bild: Mark Garlick, public domain)

Will man die großräumigen Strukturen im Universum kartografieren, dann muss man normalerweise zuerst mal herausfinden, wie weit die Galaxien entfernt sind, die man klassifizieren will. Vielleicht sind die beiden Galaxien die wir dicht nebeneinander am Himmel sehen ja in Wahrheit Milliarden Lichtjahre voneinander entfernt. Wir sehen ja immer nur ein zweidimensionales Bild. Entfernungsbestimmung ist aber nicht so einfach, vor allem bei diesen großen Entfernungen. Und selbst wenn man herausgefunden hat, dass ein Haufen Galaxien alle tatsächlich in der gleichen Region des Universums liegen, folgt daraus nicht, dass sie auch zusammen einen Galaxienhaufen bilden.

Schauen wir dazu wieder in das leichter verständliche Sonnensystem. Wir blicken zum Himmel und sehen auf unserer Aufnahme ein paar Planeten und vielleicht auch ein paar Asteroiden. Wir messen ihre Entfernung zur Sonne und stellen dabei fest, dass sie sich alle in mehr oder weniger der gleichen Gegend befinden. Sind sie deswegen auch alle Teil des Sonnensystems? Vielleicht. Vielleicht stammt aber auch einer der Asteroiden aus dem interstellaren Raum. Vielleicht saust er gerade mit enormer Geschwindigkeit durch unser Sonnensystem hindurch und verschwindet demnächst wieder irgendwo zwischen den Sternen. Um das zu bestimmen müssen wir auch die Geschwindigkeit kennen mit der sich die Objekte bewegen. Im Sonnensystem ist das halbwegs einfach, hier können wir ziemlich schnell bestimmen, auf welchen Bahnen sich Objekte bewegen und prüfen, ob sie die Sonne wirklich umkreisen oder nur auf der Durchreise sind.

Bei den Galaxien in einem Galaxienhaufen ist das aber viel schwieriger. Die beobachtbare Bewegung ist extrem gering; wir müssten schon ein paar Millionen Jahre am Stück beobachten um wirklich etwas davon zu sehen. Und auch hier kann es sein, dass eine Galaxie die sich inmitten anderer Galaxien befindet, nur auf der Durchreise ist und kein Teil des Galaxienhaufens. Es ist also, kurz gesagt, eine knifflige Situation. Die im Jahr 2014 der amerikanische Astronom Brent Tully und seine Kollegen ein wenig durchschaubarer gemacht haben. Sie haben jede Menge Galaxien in unserer Umgebung beobachtet und zwei unterschiedliche Arten von Geschwindigkeiten bestimmt. So etwas macht man bei diesen Entfernungen über die Rotverschiebung. Darüber habe ich ja schon in Folge 21 der Sternengeschichten ausführlich gesprochen. Das ganze funktioniert mit dem Doppler-Effekt, den man auch von der Sirene bei Einsatzfahrzeugen kennt. Dort ändert sich die Tonhöhe, je nachdem ob das Fahrzeug sich auf uns zu oder von uns weg bewegt weil die Schallwellen durch die sich bewegende Schallquelle entweder gestaucht oder gestreckt werden. Das funktioniert mit Licht aber genau so, nur ändert sich hier die Farbe entweder in Richtung blau, wenn sich eine Lichtquelle auf uns zu bewegt oder zum Roten, wenn sie sich entfernt.

Alles voller Galaxien. Aber welche gehört wohin? (Bild: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI))

Wir wissen, dass das Universum sich beständig ausdehnt. Alle Galaxien die wir beobachten bewegen sich also von uns fort und zwar umso schneller, je weiter sie entfernt sind, wie ich in Folge 249 ausführlich erklärt habe. Alle Galaxien zeigen also auch eine Rotverschiebung die um so größer ausfällt, je größer ihre Entfernung ist. Diese Rotverschiebung ist aber eben ein Result der Expansion des Universums; sie entsteht weil der Raum selbst sich ausdehnt, nicht weil die Galaxie sich DURCH den Raum bewegt. Das tut sie aber und auch das verursacht eine kleine Rotverschiebung. Diese durch die Eigenbewegung der Galaxie verursachte Rotverschiebung ist es die relevant ist wenn wir wissen wollen, wer zu einem Galaxienhaufen gehört und wer nicht. Denn die sagt uns etwas über das gravitative Kräftemessen im Universum.

Stellen wir uns einen einfachen Fall vor: Zwei große Galaxien weit voneinander entfernt und eine dritte Galaxie irgendwo dazwischen in der Mitte. Beide äußeren Galaxien üben eine Gravitationskraft auf die mittlere Galaxie aus – aber welche ist stärker? Wenn wir sehen könnten, in welche Richtung sich die mittlere Galaxie bewegt, wüssten wir auch, ob wir sie mit der einen oder der anderen Galaxie zu einer Gruppe zusammenfassen sollen.

In der Realität ist das noch viel komplizierter. Da hat man nicht drei Galaxien sondern hunderttausende die alle aneinander zerren und jeweils ihre Bewegung beeinflussen. Um das aufzudröseln hat haben Tully und seine Kollegen also probiert die Eigenbewegung der Galaxien zu messen. Das ist bei weit entfernten Objekten extrem schwer, weil die durch die Expansion des Universums verursachte Rotverschiebung deutlich größer ist als die, die von der Eigenbewegung stammt. Aber es ist ihnen mit ein paar neuen mathematischen Filtermethoden gelungen die Daten so zu verarbeiten, dass sie auch diesen kleinen Anteil isolieren und so die Bewegungsstrukturen der vielen Galaxien in unserer Umgebung sichtbar machen konnten.

Und sie stellten dabei fest, dass man hier klare Grenzen ziehen kann. Ein Haufen Galaxien bewegte sich – vereinfacht gesagt – gemeinsam in die eine Richtung, ein anderer Haufen in die andere Richtung. Die Realität ist ein bisschen komplizierter, man kann es sich vielleicht so vorstellen wie die Wasserscheiden bei Flusssystemen. Alle Flüsse fließen ja irgendwann ins Meer. Hier in Europa fließen manche ins Mittelmeer, manche in die Nordsee, manche in den Atlantik, manche ins schwarze Meer, und so weiter. Welcher Fluss wo landet kann man auf den ersten Blick nicht so einfach sagen. Die Donau zum Beispiel fließt nach Süden ins schwarze Meer, der Rhein nach Norden in die Nordsee, und das obwohl die Quelle des Rheins viel weiter südlich liegt als die Quelle der Donau. Aber wenn man alle Quellen auf einer Karte einzeichnet und schaut, wohin die Flüsse fließen, kann man trotzdem Grenzen um die jeweiligen Einflussbereiche der Meere ziehen. Diese Grenzen sind die Wasserscheiden und so ähnlich funktioniert es auch bei den Galaxien. Man kann Grenzen finden, die die gravitativen Einflussbereiche der Galaxienhaufen voneinander trennen. Beziehungsweise IST in dem Fall der gravitative Einflussbereich genau das, was man “Galaxienhaufen” nennt.

Ich glaube ich kann mein Haus sehen! (Tully et al, 2014)

In diesem Fall haben Tully und seine Kollegen circa 100.000 Galaxien identifiziert, darunter auch die Milchstraße, die sich über einen Bereich von ungefähr 520 Millionen Lichtjahren erstrecken und alle aufgrund ihrer Bewegung zusammengehören. Bisher dachte man, der sogenannte Virgo-Haufen wäre die übergeordnete Struktur zu der Milchstraße gehört. Unsere Galaxie bildet ja mit ein paar anderen Galaxien, darunter die Andromedagalaxie, den sogenannten “Lokalen Haufen”. Und dieser Galaxienhaufen gehört mit ein paar anderen Galaxienhaufen zum Virgo-Haufen. Dachte man. Die neue Arbeit hat gezeigt, dass der Virgo-Haufen quasi nur ein Vorort einer noch viel größeren Struktur ist. Nämlich dem riesigen Supergalaxienhaufen der den Namen “Laniakea” bekommen hat. Das Wort stammt aus dem Hawaiischen und bedeutet so viel “unermesslicher Himmel”. Eine absolut treffende Beschreibung! Die mehr als 500 Millionen Lichtjahre durchmessende Region des Univesums mit ihren 100.000 Galaxien zu der auch wir gehören kann man mit Sicherheit als “unermesslich” für uns Menschen beschreiben. Und noch unermesslicher wird die Sache, wenn wir uns klar machen, dass auch Laniakea nur einer von sehr, sehr vielen solcher Supergalaxienhaufen im Universum ist…