Kurz nach dem Urknall liefen winzige Druckwellen durch brodelnde Kugeln aus heißem Plasma, hervorgerufen durch Quantenfluktuationen – Teilchen-Antiteilchen-Paare, die im Vakuum entstehen und gleich wieder zerfallen. Aus diesen urzeitlichen Dichteschwankungen entwickelten sich im Lauf von Milliarden von Jahren die Galaxienhaufen – weitläufige Strukturen aus hunderten oder tausenden Galaxien, zusammengehalten durch Schwerkraft.

Der Galaxienhaufen 383
© NASA / ESA, STScI, Marc Postman / CRAL, Johan Richard / LAM, Jean-Paul Kneib
(Ausschnitt)
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Wie eine riesige Linse, die das Licht weit entfernter Hintergrundobjekte bündelt und damit verstärkt, wirkt die große Masse des Galaxienhaufens Abell 383. Die Linse liefert jedoch keine perfekten Bilder, sondern verzerrt sehr stark. Besonders deutlich wird dies an den leuchtenden Bögen um die riesige elliptische Galaxie nahe der Bildmitte.

Doch irgendetwas scheint in diesem Bild nicht zu stimmen. Im vergangenen Jahr veröffentlichte Ergebnisse legen nahe, dass die Galaxienhaufen rund 40 Prozent zu wenig Masse besitzen – verglichen mit einer Haufenbildung, wie man sie auf Grund der Dichteschwankungen im Urgas erwarten würde [1]. Um diese Diskrepanz zu erklären, schlugen Theoretiker eine Physik jenseits des Standardmodells der Kosmologie vor. Mit verbesserten Messungen der Galaxienhaufen ließe sich die Unstimmigkeit aber vielleicht schon bald aus der Welt schaffen.

Entdeckt worden war die Differenz erstmals mit der Raumsonde Planck der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Das Teleskop an Bord beobachtete die kurz nach dem Urknall entstandene kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung. Die darin eingeprägten Muster glichen die Forscher dann mit den ebenfalls von Planck erfassten Galaxienhaufen ab. "Viele von uns sind fasziniert von der Diskrepanz", berichtet David Spergel von der Princeton University in New Jersey. Der Astrophysiker hatte den kosmischen Mikrowellenhintergrund mit dem Vorgänger von Planck untersucht – einer Raumsonde der NASA namens Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. "Unser Verständnis ist noch mangelhaft."

Das Gewicht der Neutrinos

Einige Theoretiker spielten mit den Eigenschaften von Neutrinos – geisterhaften, nahezu masselosen subatomaren Teilchen – herum, um den Widerspruch aufzulösen. Eine solche Idee veröffentlichten am 6. Februar beispielsweise der Physiker Wayne Hu von der University of Chicago in Illinois und seine Kollegen: Die Unstimmigkeit ließe sich demnach überwinden, wenn die drei bekannten Neutrinosorten deutlich schwerer wären als bislang angenommen oder wenn eine vierte, bisher noch nicht nachgewiesene Neutrinoart (siehe Artikel "Existieren sterile Neutrinos?") existierte [2]. Die zusätzliche Neutrinomasse hätte die urzeitlichen Druckwellen abgeschwächt, weshalb man heute weniger Haufen beobachten dürfte.

Zwei neue Studien – eine davon am 11. Februar auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht [3], die andere noch nicht publiziert – behaupten, dass die Haufen tatsächlich mehr Masse besitzen als von Planck veranschlagt. Damit bestünde kaum noch Bedarf an exotischer Physik. Beide Arbeiten machten sich den Gravitationslinseneffekt zu Nutze: Das enorme Gravitationsfeld eines Galaxienhaufens verzerrt das Licht von Hintergrundobjekten. Indem Astronomen die Stärke dieses Effekts messen, können sie auf die Masse der Haufen schließen. "Wir gehen davon aus, dass es kein Problem gibt", sagt Anja von der Linden vom Kavli Institute for Particle Astrophysics an der Stanford University in Kalifornien.

Gravitationslinseneffekt
© Reich, E.S.: Missing galaxy mass found. In: Nature 506, S. 274-275, 2014
(Ausschnitt)
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Wie wird die Masse eines Galaxienhaufens gemessen?

Von der Linden arbeitet an einem Projekt namens "Weighing the Giants": Mit dem Subaru-Teleskop und dem Canada-France-Hawaii-Telescope, beide auf dem Mauna Kea in Hawaii, untersuchten die Wissenschaftler 22 der Galaxienhaufen, die auch Planck unter die Lupe nahm. Das Team ermittelte eine durchschnittliche Haufenmasse von 1015 Sonnenmassen – das entspricht etwa der tausendfachen Milchstraßenmasse und liegt 43 Prozent über dem Schätzwert von Planck. Die andere Studie, genannt Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble (CLASH), setzte das Weltraumteleskop Hubble ein, um 25 Haufen – ebenfalls alle auch von Planck begutachtet – zu vermessen. Der kalkulierte Wert lag rund 30 Prozent über dem vom Planck.

Liegt Planck falsch?

Vielleicht lassen sich diese Abweichungen auf fehlerhafte Schätzwerte von Planck zurückführen, verursacht durch den so genannten Sunjajew-Seldowitsch-Effekt (siehe Grafik), der die Reduzierung der Zahl niedrigenergetischer Photonen und Erhöhung der Zahl energiereicherer Photonen relativ zum Planck-Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung in den heißen Gasen der Galaxienhaufen beschreibt. Planck weist Photonen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund nach. Auf ihrem Weg zur Raumsonde durchqueren einige dieser Mikrowellen auch Galaxienhaufen. Dort finden sich heiße Gaswolken und in diesen energiereiche Elektronen. Stoßen die Lichtteilchen mit den Elektronen zusammen, übertragen diese zusätzliche Energie auf sie.

Die Stärke dieses Effekts korreliert mit der Masse aller Galaxien im Haufen, denn ein größerer Haufen enthält mehr heißes Gas. Dieser Zusammenhang ist aber keineswegs präzise. "Das ist der größte Unsicherheitsfaktor", so James Bartlett von der Université Paris Diderot, der zum Planck-Team gehört. Noch in diesem Jahr soll eine verbesserte Analyse der Planck-Daten erscheinen, so der Kosmologe, wobei man nochmals an der Massenkalibrierung feilte. Möglicherweise fallen die Massen der Galaxienhaufen danach größer aus.

Künftige Messungen von Gravitationslinsen werden auch die restlichen Unstimmigkeiten auflösen, vermuten viele Astrophysiker. Der 50 Millionen Dollar teure Dark Energy Survey – ein optisches Durchmusterungsteleskop auf dem Cerro Tololo in Chile – vollendete am 9. Februar seine ersten drei Monate und beobachte bereits Hunderte von Galaxienhaufen. Die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse werden noch in diesem Jahr erwartet. Im kommenden Monat wollen Astronomen das 50 Millionen Dollar teure japanische Instrument Hyper Suprime-Cam am Subaru-Teleskop nutzen, um eine groß angelegte Durchmusterung des Himmels nach Gravitationslinsen durchzuführen.

Doch selbst wenn sich herausstellen sollte, dass es den Galaxienhaufen nicht an Masse fehlt, sei die Arbeit noch längst nicht getan, meint Bradford Benson vom Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois. Man müsse nachvollziehen, wie sich die heutigen Haufen aus den frühen kosmischen Dichteschwankungen entwickelt haben. Denn auf diese Weise ließe sich erforschen, ob sich der Einfluss der Dunklen Energie – einer mysteriösen abstoßenden Kraft – im Lauf der Zeit womöglich veränderte. "Das nächste Kapitel in der Geschichte werden aussagekräftige Datensätze sein", so der Astrophysiker.