Dark Flow

Im Herbst 2008 bekamen Dunkle Energie und Dunkle Materie einen weiteren Kumpel: den Dark Flow, die Dunkle Strömung. Die Bewegung ganzer Galaxienhaufen ließ sich plötzlich nicht mehr erklären, und keiner wusste so richtig, was man damit anfangen soll. Hier erfährst du, was damals gemeldet wurde, wie man so etwas überhaupt misst und warum der Dark Flow bis heute umstritten ist.

Was 2008 gemeldet wurde

Im September 2008 verbreitete die NASA eine Pressemitteilung, die es in sich hatte. Ein Team um Alexander Kashlinsky vom Goddard Space Flight Center hatte zusammen mit Fernando Atrio-Barandela, Dale Kocevski und Harald Ebeling rund 700 Galaxienhaufen untersucht. Die Arbeit erschien am 20. Oktober 2008 in den Astrophysical Journal Letters.

Das Ergebnis: Die Haufen schienen sich gemeinsam mit 600 bis 1.000 Kilometern pro Sekunde in eine Richtung zu bewegen, auf einen etwa 20 Grad großen Fleck am Himmel zwischen den Sternbildern Zentaur und Segel (Centaurus und Vela). Das passiert zusätzlich zur Expansion des Universums, und es passte nicht zu dem, was die bekannte Verteilung der Materie erwarten ließ.

So hab ich das damals zusammengefasst: Es gibt Beobachtungen, die zeigen, dass sich Galaxien über mehrere Milliarden Lichtjahre hinweg beeinflussen. Alles durch den Dark Flow? Die Ursache soll sogar jenseits der Grenze unseres beobachtbaren Universums liegen. Die Forscher erklärten die Strömung mit dem Schwerkraftzug von Materie jenseits unseres kosmischen Horizonts, also so weit entfernt, dass ihr Licht uns seit dem Urknall noch gar nicht erreichen konnte. Weitere Messungen sollten folgen.

Wenn du tiefer in das Thema Dunkle Materie einsteigen willst: Dazu gab es 2008 ein ausführliches Interview zur Dunklen Materie, über das ich hier geschrieben hatte.

Wie misst man, wie schnell ein Galaxienhaufen fliegt?

Galaxienhaufen sind die größten durch Schwerkraft zusammengehaltenen Gebilde im Universum. Zwischen ihren Galaxien steckt extrem heißes Gas, Millionen Grad heiß. Und genau dieses Gas verrät die Bewegung.

Der Trick heißt Sunjajew-Seldowitsch-Effekt. Die kosmische Hintergrundstrahlung, das Nachglühen des Urknalls, durchquert auf ihrem Weg zu uns auch diese Haufen. Ein kleiner Teil ihrer Photonen stößt dabei mit den schnellen Elektronen im heißen Gas zusammen und gewinnt Energie. Das hinterlässt einen messbaren Abdruck in der Hintergrundstrahlung.

Bewegt sich der ganze Haufen relativ zur Hintergrundstrahlung, kommt ein zweiter, viel schwächerer Effekt dazu: der kinematische Sunjajew-Seldowitsch-Effekt. Er funktioniert ähnlich wie der Doppler-Effekt und verschiebt die Temperatur der Strahlung in Richtung des Haufens um winzige Beträge, je nachdem, ob er auf uns zukommt oder sich entfernt. Kashlinskys Team suchte dieses Signal in den Daten des NASA-Satelliten WMAP, der von 2001 bis 2010 die Hintergrundstrahlung am ganzen Himmel vermessen hat. Weil es für einzelne Haufen viel zu schwach ist, wurden Hunderte Haufen statistisch zusammengefasst.

Genau da liegt auch die Schwachstelle: Das Signal ist klein, die Störquellen sind groß. Die Hintergrundstrahlung hat ihre eigenen Schwankungen, dazu kommen Einflüsse unserer Milchstraße und Eigenheiten des Instruments.

Eine kleine Korrektur zu meinem Text von 2008

Damals schrieb ich, die Beobachtungen sollten sogar die inflationäre Phase des Urknalls bestätigen, in der sich das Universum „mit Lichtgeschwindigkeit“ ausgedehnt habe. Beides muss ich geraderücken.

Die Inflation ist eine Hypothese, nach der sich das Universum in einem winzigen Bruchteil der ersten Sekunde exponentiell aufgebläht hat. Entfernungen wuchsen dabei nicht mit Lichtgeschwindigkeit, sondern weit schneller. Das widerspricht der Relativitätstheorie nicht, weil sich nichts durch den Raum bewegt, sondern der Raum selbst wächst.

Und bestätigt hat der Dark Flow die Inflation nicht. Kashlinsky und Kollegen deuteten ihre Messung so, dass das Universum weit jenseits unseres Horizonts nicht überall gleich aussieht. Diese Unregelmäßigkeiten könnten aus der Zeit vor oder während der Inflation stammen. Das ist eine Deutung im Rahmen der Inflation, kein Beweis für sie.

Der Streit: echte Strömung oder Messartefakt?

Kaum war die Meldung draußen, ging die Diskussion los. Die wichtigsten Stationen:

• 2009: Der Physiker Ryan Keisler kam in einer statistischen Analyse zu dem Schluss, dass der Effekt nicht physikalisch ist. Die ursprüngliche Auswertung habe die normalen Schwankungen der Hintergrundstrahlung unterschätzt. Auch der Kosmologe Ned Wright kritisierte die Methode. Kashlinskys Team wies die Kritik zurück.
• 2010: Das Team legte nach, mit Fünfjahresdaten von WMAP und etwa doppelt so vielen Haufen, sortiert in vier Entfernungsbereiche. Die Strömung zeigte sich weiterhin, nachverfolgt bis in rund 2,5 Milliarden Lichtjahre Entfernung.
• 2013/2014: Die Daten des europäischen Planck-Satelliten, der die Hintergrundstrahlung von 2009 bis 2013 mit deutlich höherer Auflösung und Empfindlichkeit kartiert hat, zeigten nach Auswertung der Planck-Kollaboration keinen statistisch signifikanten Hinweis auf eine solche großräumige Strömung.
• 2015: Atrio-Barandela, selbst Mitglied der Planck-Kollaboration, und Kollegen argumentierten, dass WMAP- und Planck-Daten zusammen den Dark Flow weiterhin stützen. Danach wurde es um das Thema deutlich ruhiger.

Unterm Strich: Bestätigt ist der Dark Flow bis heute nicht. Die Planck-Daten und die methodische Kritik sprechen eher dafür, dass das Signal aus der Analyse stammt und keine echte Bewegung zeigt. Ganz vom Tisch ist er aber auch nicht, weil die Frage nach großräumigen Bewegungen im Universum weiter offen ist.

Und heute? Großräumige Strömungen bleiben ein Thema

Ruhig ist es nur um den Dark Flow im engeren Sinn geworden. Die allgemeine Frage, wie schnell sich ganze Regionen des Universums gemeinsam bewegen, beschäftigt die Kosmologie weiter. Fachleute sprechen dabei vom Bulk Flow.

2023 veröffentlichte eine Gruppe um Richard Watkins eine Auswertung des großen Galaxienkatalogs Cosmicflows-4. Sie fand in einer Kugel mit einem Radius von rund 266 Megaparsec, also grob 870 Millionen Lichtjahren, eine gemeinsame Bewegung, die größer ist, als das Standardmodell der Kosmologie erwarten lässt. Die Wahrscheinlichkeit für so einen Wert im Standardmodell gaben die Autoren mit unter 0,003 Prozent an.

Das ist allerdings nicht dasselbe wie Kashlinskys Dark Flow. Es geht um kleinere Entfernungen, und gemessen wird ganz anders, nämlich über die Abstände und Geschwindigkeiten einzelner Galaxien. Solche Messungen hängen stark davon ab, wie man mit Entfernungsfehlern umgeht, entsprechend vorsichtig sollte man sie lesen. Neue Durchmusterungen wie die des 2023 gestarteten ESA-Teleskops Euclid und genauere Messungen der Hintergrundstrahlung sollen in den nächsten Jahren mehr Klarheit bringen.

Lesestoff und Diskussion

Die Original-Pressemitteilung der NASA ist noch online, ebenso der lesenswerte deutschsprachige Beitrag auf Astrodicticum Simplex, dem Astronomie-Blog von Florian Freistetter. Diskutieren konnte man das Ganze damals im Forum von Drillingsraum. Das Forum ist derzeit geschlossen. Über die Physik-Interviews von Drillingsraum hab ich hier öfter geschrieben, etwa über das Gespräch mit Theodor Hänsch zu Quantenphysik und Quantenteleportation.