Struktur des Kosmos

Gegenstand und Bedeutung

Die Struktur des Kosmos bezeichnet die großräumige Anordnung und Verteilung der beobachtbaren Materie im Universum. Astronomie und Kosmologie untersuchen diese Strukturen, um den Aufbau des Weltalls auf sehr großen Maßstäben zu verstehen.

Wie weit sich die Strukturen erstrecken, zeigt eine Deep-Field-Aufnahme des Hubble-Teleskops: In einem Himmelsausschnitt von nur 144 Bogensekunden Ausdehnung sind etwa 1500 verschiedene Galaxien zu sehen. Die Erforschung der kosmischen Struktur verbindet Beobachtungen mit kosmologischen Modellen. Dabei werden Vorhersagen über die Verteilung der Materie mit den tatsächlich beobachteten Strukturen verglichen.

Hierarchie der kosmischen Strukturen

Sterne sind in Galaxien zusammengefasst. Galaxien bilden Galaxiengruppen und Galaxienhaufen, diese wiederum Superhaufen. Zwischen den größeren Ansammlungen liegen große Leerräume, die als Voids bezeichnet werden.

Bis 1989 nahm man an, dass Superhaufen relativ gleichmäßig verteilt seien und die größten Strukturen des Universums bildeten. Margaret Geller und John Huchra entdeckten 1989 mithilfe von Rotverschiebungsdaten die Große Mauer, eine längliche Ansammlung von Galaxien. Sie ist 500 Millionen Lichtjahre lang und 200 Millionen Lichtjahre breit, besitzt aber nur eine Tiefe von 15 Millionen Lichtjahren. Ihre Entdeckung war erst möglich, nachdem zweidimensionale Positionsdaten mit Entfernungsdaten aus der Rotverschiebung kombiniert worden waren.

Eine weitere großräumige Besonderheit ist der Große Attraktor in Richtung der Sternbilder Hydra und Zentaur. Er liegt etwa 250 Millionen Lichtjahre vom Virgo-Superhaufen entfernt, zu dem auch die Milchstraße gehört. Die gravimetrische Anomalie zieht Galaxien aus Entfernungen von bis zu mehreren hundert Millionen Lichtjahren an. Unterschiede in der Rotverschiebung weisen auf eine Masseansammlung in der Größenordnung mehrerer zehntausend Galaxien hin. Im Zentrum liegt der fast durch die Milchstraßenscheibe verborgene Norma-Galaxienhaufen. In seiner Umgebung befinden sich viele große und alte Galaxien, von denen zahlreiche miteinander kollidieren und/oder große Mengen Strahlung aussenden.

Größenordnungen und kosmisches Netz

Auf der größten derzeit beobachtbaren Skala stehen Galaxienhaufen, die sich zu Superhaufen verbinden. Diese bilden fadenartige Filamente, die riesige, blasenartige und praktisch galaxienfreie Voids umspannen. Wegen dieses Aufbaus wird auch von einer wabenartigen Struktur oder vom cosmic web gesprochen.

Die im Artikel angegebene Rangfolge von den größten zu den kleinsten Strukturen lautet:

• Large Quasar Groups (LQG), zum Beispiel U1.27, mit einem Durchmesser von etwa 4 Mrd. Lichtjahren.
• Filamente und Voids, zum Beispiel die Große Mauer, mit einem Durchmesser von etwa 1 Mrd. Lichtjahren.
• Superhaufen, zum Beispiel der Virgo-Superhaufen, mit einem Durchmesser von etwa 200 Millionen Lichtjahren.
• Galaxiengruppen und Galaxienhaufen, zum Beispiel die Lokale Gruppe, mit einem Durchmesser von etwa 10 Millionen Lichtjahren.
• Galaxien, zum Beispiel die Milchstraße, mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren.
• Sternhaufen, darunter Kugelsternhaufen und offene Sternhaufen, mit Durchmessern von dutzenden bis hunderten Lichtjahren.
• Planetensysteme, zum Beispiel das Sonnensystem, mit einem Durchmesser von etwa 300 AE = 41 Lichtstunden.
• Sterne, zum Beispiel die Sonne, mit einem Durchmesser von 1.392.500 km = 4,65 Lichtsekunden.
• Planeten, zum Beispiel die Erde, mit einem Durchmesser von 12.756,2 km = 42,6 Lichtmillisekunden.
• Monde, zum Beispiel der Erdmond, mit einem Durchmesser von 3.476 km = 11,6 Lichtmillisekunden.
• Asteroiden und Kometen mit Durchmessern von wenigen Kilometern bis mehreren 100 km.
• Meteoroiden mit Durchmessern vom Meter- bis zum Millimeterbereich.
• Staubpartikel, Moleküle, Atome, Atomkerne mit unter anderem Protonen und Neutronen, Hadronen mit unter anderem Quarks sowie Elementarteilchen, zu denen unter anderem Elektronen und Quarks gehören.

Die Größenbereiche überlappen teilweise. Es gibt beispielsweise Monde, die größer als Planeten sind, und Asteroiden, die wesentlich größer als manche Monde sind. Deshalb ist eine Klassifizierung von Himmelsobjekten allein nach ihrer Größe umstritten. Dazu gehört auch die Frage, welche Sonnentrabanten als Planeten gelten, etwa Pluto, Plutinos und Transneptune.

Modelle und Beobachtungen

Die Kosmologie versucht, ein Modell der Großraumstruktur des Universums zu entwickeln. Grundlage sind vor allem das Urknallmodell und Annahmen über die Art der Materie im Universum. Aus diesen Grundlagen werden Vorhersagen über die Materieverteilung abgeleitet. Kosmologische Simulationen helfen dabei, diese Vorhersagen mit Beobachtungen zu vergleichen und die Theorien weiterzuentwickeln.

Die derzeitigen Beobachtungen legen nahe, dass der größte Teil der Materie aus kalter Dunkler Materie besteht. Modelle mit heißer oder baryonischer Dunkler Materie liefern dagegen keine guten Vorhersagen. Weitere Zugänge ergeben sich aus den minimalen Schwankungen der kosmologischen Hintergrundstrahlung und aus stark rotverschobenen Supernovae. Nach dem Artikel wächst der Konsens, dass diese Ansätze übereinstimmend auf ein beschleunigtes Universum hinweisen.

Ein Beispiel für die Untersuchung der Hintergrundstrahlung sind Temperaturschwankungen, die der Satellit WMAP während seiner Mission von 2001 bis 2010 aufnahm.

Verfahren zur Erforschung

Der Lyman-alpha-Wald ist eine Ansammlung von Spektrallinien im Licht von Quasaren. Diese Linien gelten als relativ sicheres Anzeichen für riesige interstellare Gaswolken, die hauptsächlich aus Wasserstoff bestehen. Die Gaswolken scheinen die Bildung neuer Galaxien zu beeinflussen.

Neben spektroskopischen Verfahren liefert die moderne Infrarotastronomie hochauflösende Beobachtungsdaten des kosmischen Netzes. Im Mai 2026 veröffentlichte ein internationales Forschungsteam auf Grundlage von Daten des James-Webb-Weltraumteleskops die bislang detaillierteste Karte der filamentartigen Großstruktur des frühen Universums. Die Beobachtungen zeigen dichte Materieverbindungen zwischen Galaxienansammlungen und stimmen gut mit theoretischen Modellen der kalten Dunklen Materie überein.

Bei der Beobachtung muss außerdem der Effekt von Gravitationslinsen berücksichtigt werden. Dabei krümmen Vordergrundobjekte, zum Beispiel Galaxien, aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie den Raum und lenken Lichtstrahlen ab. Dadurch kann das Bild eines Objekts in einer anderen Richtung erscheinen als das Objekt selbst. Starke Gravitationslinsen sind zugleich nützlich, weil sie entfernte Galaxien vergrößern und dadurch leichter auffindbar machen. Die schwache gravimetrische Scherung durch das zwischen Quelle und Beobachter liegende Universum kann die beobachtete Struktur jedoch entscheidend verändern und die Beobachtung erschweren. Diese Scherung lässt sich wiederum zur Überprüfung verschiedener kosmologischer Modelle verwenden.

Grenzen der Rotverschiebungsmessung

Die großräumige Struktur des Weltalls wird nicht realistisch dargestellt, wenn Entfernungen ausschließlich aus der Rotverschiebung bestimmt werden. Zusätzlich zur kosmischen Expansion beeinflussen die Bewegungen von Galaxien ihre gemessene Rotverschiebung.

Galaxien hinter einem Galaxienhaufen werden von dessen Gravitation angezogen und erscheinen deshalb im Vergleich zur Situation ohne den Haufen geringfügig blauverschoben. Galaxien vor dem Haufen erscheinen dagegen geringfügig rotverschoben. Dadurch wirkt die Umgebung des Haufens in der Darstellung etwas plattgedrückt.

Innerhalb eines Haufens bewegen sich Galaxien mit zufälligen Geschwindigkeiten um das Zentrum. Wenn diese Bewegungen in Rotverschiebungen umgerechnet werden, entsteht ein gestrecktes Bild. Diese scheinbare Verlängerung wird als „Finger Gottes“ bezeichnet: Sie erzeugt die Illusion einer ganzen Reihe von Galaxien, die auf die Erde zeigt.