Die Lösung eines alten Rätsels: Astronomen entdecken, dass die Welt flach ist

Eine Gruppe europäischer Astronomen hat mithilfe neu entwickelter Computertechnologie ein 100 Jahre altes Rätsel gelöst. Während sich die meisten Galaxien in unserer Nachbarschaft aufgrund der ungestörten kosmischen Expansion wie erwartet von uns entfernen, nähert sich unser riesiger Nachbar mit hoher Geschwindigkeit. Systematische numerische Experimente zeigen, dass diese schnelle Annäherung auf massereiche Halos aus dunkler Materie zurückzuführen ist, die sowohl die Andromeda-Galaxie als auch unsere eigene Milchstraße umgeben. Allerdings bremst diese Masse etwas weiter entfernte Galaxien nicht, da ihre Wirkung durch noch weiter entfernte dunkle Materie ausgeglichen wird. Diese erstreckt sich in einer riesigen, flachen Schicht weit über die betrachteten benachbarten Galaxien hinaus.

Warum bewegt sich der Andromeda-Nebel direkt auf uns zu, während sich andere nahegelegene Galaxien entfernen?

Es ist fast ein Jahrhundert her, seit der amerikanische Astronom Edwin Hubble die Ausdehnung des Universums entdeckt hat. Entfernte Galaxien, ähnlich unserer Milchstraße, entfernen sich mit Geschwindigkeiten von uns, die proportional zu ihrer Entfernung zunehmen. Dies spiegelt den Ursprung des Universums in einem Urknall wider, einer gewaltigen Explosion vor 14 Milliarden Jahren. Hubble wusste jedoch bereits damals, dass dies für unseren nächsten riesigen Nachbarn, den Andromeda-Nebel, nicht zutrifft. Diese Galaxie ist 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt und nähert sich unserer Milchstraße mit einer Geschwindigkeit von 100 Kilometern pro Sekunde. Im Jahr 1959 berechneten die beiden europäischen Astronomen Franz Kahn und Lodewijk Woltjer, dass die Gesamtmasse der beiden Galaxien mehr als 1000 Milliarden Mal so groß sein muss wie die Masse der Sonne, damit die Schwerkraft die anfängliche Expansion umkehren kann. Dies ist viel größer als die Masse aller ihrer Sterne zusammen. Dies war der erste Nachweis von Dunkler Materie um unsere Milchstraße und ihren Nachbarn.

In den 1970er- und 1980er-Jahren begann man, die Entfernungen zu etwas weiter entfernten Galaxien genau zu messen. Dabei zeigte sich, dass sich diese Galaxien nicht nur größtenteils von uns entfernen, sondern dass ihre Geschwindigkeiten auch denen nahekommen, die durch die allgemeine kosmische Expansion seit dem „Urknall” vor 14 Milliarden Jahren vorhergesagt werden. Studien von Galaxien, die 1,5- bis 4-mal so weit entfernt sind wie die Milchstraße von der Andromeda-Galaxie, ergaben, dass die Abweichungen tatsächlich gering sind. Die Gesamtmenge an Materie, die erforderlich ist, um diese Abweichungen bis zur entferntesten Galaxie zu erklären, kann nicht größer sein als die, die bereits benötigt wird, um die Annäherungsgeschwindigkeit der Milchstraße und der Andromeda-Galaxie zu erklären. In dieser Region gibt es allerdings mehrere andere große Galaxien, die zusätzliche Masse beitragen sollten. Warum erscheint die kosmische Expansion um uns herum dann so schwach gestört?

Eine paneuropäische Gruppe von Astronomen hat kürzlich mithilfe neu entwickelter Computertechnologie eine Lösung für dieses Rätsel gefunden. Sie stellten der Maschine folgende Aufgabe: „Finde repräsentative Regionen des frühen Universums mit kleinen Abweichungen von der Gleichförmigkeit, die statistisch ähnlich wie die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung sind, sich aber so entwickeln, dass sie Galaxien ähnlich der Milchstraße und Andromeda mit den entsprechenden Positionen und Geschwindigkeiten hervorbringen.” Gleichzeitig sollten die Bewegungen an den Positionen anderer nahegelegener Galaxien mit den direkt beobachteten übereinstimmen.

Anscheinend war das Rätsel für den Computer nicht schwer zu lösen. Er fand Hunderte von Beispielen, die alle vorgegebenen Bedingungen erfüllten. Die durchschnittliche Massenverteilung für eine große Anzahl dieser Beispiele ist in der Abbildung dargestellt. In der Region, in der sich die lokalen Galaxien befinden, sind die Bewegungen im Verhältnis zu einer gleichmäßigen Expansion tatsächlich gering – der Hubble-Fluss ist fast ungestört –, während sich die Materie in größeren Entfernungen tatsächlich schneller von der Milchstraße entfernt als der Hubble-Fluss.

Wie der Computer das Rätsel gelöst hat, ist auf dem rechten Bild der Abbildung zu sehen. Es zeigt eine um 90 Grad gedrehte Ansicht desselben Bereichs. Die Masse konzentriert sich auf eine abgeflachte Schicht, die weit über den Bereich hinausreicht, den die betrachteten lokalen Galaxien einnehmen. Alle Galaxien befinden sich innerhalb dieser Schicht und selbst in größeren Entfernungen befinden sich die meisten bekannten Galaxien immer noch in einer abgeflachten Verteilung, die als lokaler Supercluster bekannt ist. Der Computer leitete diese größere Struktur ab, obwohl ihm nichts über ihre Existenz mitgeteilt wurde. Die großen Regionen mit geringer Dichte oberhalb und unterhalb der Schicht sind ebenfalls in der Galaxienverteilung zu sehen. Sie sind als lokale Leerräume bekannt. Die dort vorhergesagten hohen Geschwindigkeiten sind jedoch nicht beobachtbar, da es im realen Universum keine Galaxien gibt, die gemessen werden könnten.

Es gibt also zwei Gründe, warum der lokale Hubble-Fluss trotz der großen Gesamtmasse der Milchstraße und der Andromeda-Galaxie so schwach gestört zu sein scheint. Einerseits wirkt die Masse in größeren Entfernungen der Schwerkraft der zentralen Galaxien entgegen, indem sie Materie nach außen zieht. Zum anderen gibt dort, wo die vorhergesagten Annäherungsbewegungen groß sind, keine Galaxien, sodass der Zufluss zur lokalen Schicht verborgen bleibt.

Die Lösung dieses Rätsels besteht darin, dass die Verteilung der Gesamtmasse in unserer Umgebung mindestens ebenso flach ist wie die Verteilung der Galaxien. Die Welt um unsere lokale Galaxiengruppe ist tatsächlich bis zu Entfernungen von mehreren zehn Millionen Lichtjahren flach.