Galaxienverbände — vom Gruppenbild zum kosmischen Netz

Neben der langen Scheibe von NGC 891 liegen im Bild winzige ovale Lichtflecken, und um NGC 7331 stehen vier kleine Galaxien wie Küken um die Henne. Beides sieht wie Nachbarschaft aus. Tatsächlich schauen wir durch mehrere Tiefenebenen hindurch — vom Stern unserer Milchstraße in einigen hundert Lichtjahren bis zum Galaxienhaufen in einer Viertelmilliarde. Um das zu sortieren, braucht man eine Vorstellung von den Größenordnungen.

Die Leiter der Größenordnungen

Eine Galaxie wie die Milchstraße misst rund hunderttausend Lichtjahre. Die nächste Stufe, unsere Lokale Gruppe, ist hundertmal größer: etwa zehn Millionen Lichtjahre, mit zwei großen Spiralen und rund hundert bekannten, meist winzigen Mitgliedern. Der nächste Galaxienhaufen, der Virgo-Haufen, liegt gut fünfzig Millionen Lichtjahre entfernt und versammelt mehr als tausend Galaxien. Haufen und Gruppen reihen sich zu Superhaufen von einigen hundert Millionen Lichtjahren; unser eigener, Laniakea, umfasst etwa hunderttausend Galaxien. Die größten bekannten Strukturen, Wände und Filamente von über einer Milliarde Lichtjahren Länge, sind schon ein merklicher Bruchteil des beobachtbaren Universums mit seinen rund 93 Milliarden Lichtjahren Durchmesser. Jede Stufe der Leiter ist ungefähr eine Zehnerpotenz größer als die vorige — und jede hat ihre eigene Physik. NASA: Großräumige Strukturen

Sechs Zehnerpotenzen auf einer Achse: Was auf einem linearen Maßstab nicht in ein Bild passt, wird logarithmisch zu einer Treppe. Alle Werte sind Näherungen; für ausgedehnte Strukturen ohne scharfen Rand gibt es keine exakte Größe.

Gruppen: die Regel, nicht die Ausnahme

Die meisten Galaxien leben in Gruppen — Verbänden aus einer Handvoll heller und vielen schwachen Mitgliedern, die durch ihre gemeinsame Dunkle Materie gebunden sind. Die Lokale Gruppe ist ein typisches Beispiel: zwei große Spiralen, Milchstraße und M 31, jede mit einem eigenen Hof aus Zwerggalaxien, dazu M 33 als dritte große und Dutzende kleiner Systeme. Gruppen sind die Orte, an denen Galaxien am häufigsten verschmelzen: Die Relativgeschwindigkeiten sind mit ein- bis zweihundert Kilometern pro Sekunde niedrig genug, dass eine Begegnung bindet. Andromeda und die Milchstraße nähern sich einander genau deshalb. Gruppen sind auch nicht statisch: Die Lokale Gruppe als Ganzes fällt mit einigen hundert Kilometern pro Sekunde in Richtung des Virgo-Haufens — zu langsam, um ihn je zu erreichen, weil die Ausdehnung des Universums schneller ist.

Haufen: heißes Gas und Dunkle Materie

Ein Galaxienhaufen ist eine andere Klasse von Objekt. Der Virgo-Haufen oder der Coma-Haufen versammeln Tausende von Galaxien in einem Volumen von zehn bis zwanzig Millionen Lichtjahren, und ihre Gesamtmasse erreicht das Tausendfache der Milchstraße. Schon 1933 fiel Fritz Zwicky auf, dass sich die Galaxien im Coma-Haufen viel zu schnell bewegen, als dass ihre sichtbare Masse sie zusammenhalten könnte — der erste Hinweis auf Dunkle Materie. Heute weiß man: Die Galaxien sind der kleinste Teil eines Haufens. Zwischen ihnen liegt ein dünnes, auf zehn bis hundert Millionen Grad heißes Gas, das im Röntgenlicht leuchtet und mehrere Male so viel Masse enthält wie alle Sterne des Haufens zusammen. Und beides zusammen ist wieder nur ein Sechstel der Dunklen Materie, die man an der Ablenkung des Lichts ferner Galaxien — der Gravitationslinsenwirkung — direkt kartieren kann. Haufen verändern ihre Mitglieder: Wer als Spirale in das heiße Haufengas stürzt, dem wird das eigene kalte Gas herausgefegt — der Fahrtwind reicht dafür aus. Deshalb dominieren in Haufenzentren elliptische und linsenförmige Galaxien, und deshalb ist ein Haufen die schnellste Art, eine Spirale zu einem roten System zu machen. Zwicky (1933): Die Rotverschiebung extragalaktischer Nebel; Clowe et al. (2006): Direkter Nachweis Dunkler Materie im Bullet Cluster

Filamente, Wände und Leerräume

Wie sind die Haufen selbst verteilt? Die Antwort kam 1986 aus einer Vermessung, die Tausende von Galaxienentfernungen kartierte: Die Galaxien sitzen nicht gleichmäßig im Raum, sondern auf dünnen Wänden und Filamenten, die riesige, fast leere Voids umschließen — wie die Häute eines Schaums. Die berühmte „Große Wand“ zieht sich über mehr als fünfhundert Millionen Lichtjahre; der Boötes-Void ist eine Leere von über dreihundert Millionen Lichtjahren Durchmesser mit nur einer Handvoll Galaxien. Spätere Durchmusterungen mit Millionen von Galaxien haben dieses Bild bestätigt und verfeinert. Die Struktur ist die direkte Folge der Gravitation: Materie fällt zuerst aus den Voids auf Flächen, dann entlang der Flächen in Filamente, und schließlich entlang der Filamente in die Knoten — dort sitzen die reichen Haufen. Simulationen wie die Millennium-Simulation reproduzieren dieses kosmische Netz aus wenigen Anfangsbedingungen heraus, sofern man die Dunkle Materie einrechnet. Voids füllen den größten Teil des Volumens, enthalten aber nur einen kleinen Bruchteil der Galaxien; die Filamente tragen grob die Hälfte aller Materie. Und in ihnen steckt vermutlich auch ein Gutteil der „fehlenden“ gewöhnlichen Materie des Universums: ein Gas, zu heiß, um als Wasserstofflinie zu leuchten, und zu dünn für gewöhnliche Röntgenteleskope. de Lapparent, Geller & Huchra (1986): A slice of the universe; Springel et al. (2005): Die Millennium-Simulation

KI-generierte Illustration des kosmischen Netzes: Helle Knoten und feine Filamente stehen für dichtere Materieregionen, dunkle Zwischenräume für Voids. Farben und Leuchtkraft dienen der Veranschaulichung; dies ist weder eine Himmelsaufnahme noch eine berechnete Simulation. **Dieses Bild ist KI-generiert** — keine Aufnahme, sondern eine Veranschaulichung.

Superhaufen: Laniakea und die Grenzen der Bindung

Ein Superhaufen fasst Gruppen und Haufen auf noch größeren Skalen zusammen — aber anders als Gruppe und Haufen ist er kein gravitativ gebundenes Objekt. Die Ausdehnung des Universums gewinnt auf diesen Skalen, und die beschleunigte Expansion wird die Superhaufen in ferner Zukunft auseinanderziehen, während die Lokale Gruppe als gebundenes System zusammenbleibt. Wie man einen Superhaufen dann überhaupt abgrenzt, hat eine Arbeit von 2014 neu beantwortet: nicht nach der Dichte der Galaxien, sondern nach ihrer Bewegung. Man kartiert, wohin die Galaxien fallen, und fasst alles zusammen, was zum selben Anziehungszentrum strömt — wie ein Flusseinzugsgebiet auf der Landkarte. So definiert, gehört die Milchstraße zu Laniakea, einem Gebiet von gut fünfhundert Millionen Lichtjahren, dessen Ströme auf den „Großen Attraktor“ hinter der Milchstraßenebene zulaufen. Der ältere Begriff „Lokaler Superhaufen“ oder „Virgo-Superhaufen“ bezeichnet nur den inneren Teil davon. „Galaxienverband“ ist deshalb ein guter Oberbegriff; Gruppe, Haufen, Filament und Superhaufen sagen genauer, welche Art von Struktur gemeint ist — und ob sie gebunden ist. Tully et al. (2014): Der Laniakea-Superhaufen; Chon et al. (2015): Wie man Superhaufen definiert

Tiefe messen: die Rotverschiebung als Maßband

Woher wissen wir, dass die kleinen Flecken neben NGC 891 achtmal weiter entfernt sind als die Galaxie selbst? Nicht aus ihrer Größe — eine kleine nahe Galaxie und eine große ferne sehen gleich aus. Sondern aus ihrem Licht. Das Universum dehnt sich aus, und deshalb entfernen sich ferne Galaxien von uns, umso schneller, je weiter sie weg sind: rund 21 Kilometer pro Sekunde für jede Million Lichtjahre. Die Bewegung streckt die Wellenlänge des Lichts, und im Spektrum wandern alle bekannten Linien um denselben Faktor ins Rote. Aus dieser Rotverschiebung folgt die Fluchtgeschwindigkeit und daraus die Entfernung. NGC 891 entfernt sich mit rund 500 Kilometern pro Sekunde, die Galaxien des Haufens Abell 347 dahinter mit etwa 5000 — sie sind also rund zehnmal so weit weg. Die Methode hat eine Grenze im Nahbereich: Galaxien haben auch Eigenbewegungen von einigen hundert Kilometern pro Sekunde, in reichen Haufen über tausend; M 31 kommt uns sogar entgegen. Innerhalb der Lokalen Gruppe taugt die Rotverschiebung deshalb nicht als Entfernungsmaß, jenseits von hundert Millionen Lichtjahren ist sie das wichtigste, das wir haben.

Zwei Felder, je drei Tiefenebenen. Auf einer linearen Achse läge alles Sichtbare der Milchstraße am linken Rand zusammengequetscht; logarithmisch wird die Staffelung lesbar. Die Entfernungen der Hintergrundgalaxien folgen aus ihrer Rotverschiebung und sind auf einige Prozent genau — genauer als die Größe der Punkte hier.

Die Beispiele: NGC 891 und NGC 7331

NGC 891 liegt mit ungefähr 30 Millionen Lichtjahren deutlich vor dem etwa 240 Millionen Lichtjahre entfernten Haufen Abell 347, der zum Perseus-Fische-Superhaufen gehört — einem der auffälligsten Filamente des nahen Universums, das sich als Kette von Haufen quer über den Herbsthimmel zieht. Unsere Markierungen identifizieren einzelne katalogisierte Galaxien dieses Feldes; ob jede einzelne Haufenmitglied ist, entscheidet ihre Rotverschiebung, nicht ihre Position im Bild. Bei NGC 7331 ist die Lage ähnlich: Die Galaxie selbst ist rund 45 Millionen Lichtjahre entfernt, die vier kleinen „Begleiter“ der Deer-Lick-Gruppe stehen bei etwa 300 Millionen — der Gruppenname beschreibt eine Anordnung am Himmel, kein physisches System. Ein halbes Grad weiter südlich liegt, außerhalb unseres Bildfelds, Stephans Quintett, das Lehrbuchbeispiel für dasselbe Problem: Vier seiner fünf Galaxien wechselwirken tatsächlich in rund 290 Millionen Lichtjahren, die fünfte steht bei 40 Millionen zufällig davor. Die kleinere scheinbare Größe allein ist nie ein zuverlässiger Entfernungsmesser. NASA/APOD: NGC 891 und Abell 347; Hubble: NGC 7331 im Pegasus

Ein paar Dinge, die man dazu wissen sollte:

Wir bewegen uns. Gegenüber der kosmischen Hintergrundstrahlung, dem ruhendsten Bezugssystem, das es gibt, fliegt die Lokale Gruppe mit rund 600 Kilometern pro Sekunde durch den Raum — die Summe aller Anziehungen des kosmischen Netzes um uns herum.
Wie viele Galaxien es gibt, ist offen. Schätzungen für das beobachtbare Universum reichen von einigen hundert Milliarden bis zu zwei Billionen, je nachdem, wie viele lichtschwache Zwerge man mitzählt. Die Zahl sagt vor allem, wie unvollständig unsere Zählung im Kleinen ist.
Der Haufen sieht seine Galaxien nicht als Punkte. In Haufenzentren sind Begegnungen zu schnell für Verschmelzungen, aber häufig genug, um Scheiben zu verbiegen und Gas abzustreifen. Die „Quallengalaxien“ mit ihren nachgezogenen Gasschweifen sind das Ergebnis.
Das Netz ist dunkel. Sterne und Gas zeichnen es nur nach. Die Struktur selbst wird von der Dunklen Materie getragen, die fünfmal mehr wiegt als alle gewöhnliche Materie zusammen — die Illustration oben zeigt deshalb Materiestrukturen, keine Lichtfäden.
Es wird nicht bleiben. Weil die Expansion beschleunigt, werden Superhaufen und Filamente in einigen hundert Milliarden Jahren auseinandergezogen sein. Gebunden bleibt nur, was heute schon gebunden ist: Gruppen und Haufen — und mit ihnen die dann verschmolzene Lokale Gruppe.