Nichts im Universum steht still. Die Erde kreist mit rund 30 Kilometern pro Sekunde um die Sonne, die Sonne wiederum zieht mit etwa 220 Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße. Und selbst die Milchstraße bleibt nicht stehen: Gemeinsam mit ihren benachbarten Galaxien bewegt sie sich auf eine besonders massereiche Region des Alls zu, den sogenannten Shapley-Superhaufen.

Gerade weil alles gleichzeitig in Bewegung ist, lässt sich nur schwer bestimmen, wie schnell sich das Sonnensystem im Verhältnis zum gesamten Universum fortbewegt. Als Maßstab diente bisher die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) – eine sehr gleichmäßige, schwache Reststrahlung, die kurz nach dem Urknall entstanden ist und den gesamten Kosmos erfüllt. Aus minimalen Unregelmäßigkeiten in dieser Strahlung lässt sich üblicherweise ableiten, wie schnell wir uns durch das All bewegen – zumindest galt das bisher als gesichert.

Nun jedoch stellt ein Forschungsteam um den Astrophysiker Lukas Böhme von der Universität Bielefeld genau diese etablierten Werte infrage. In ihrer Analyse, die in den „Physical Review Letters“ erscheint, heißt es, die gemessene Geschwindigkeit des Sonnensystems weiche deutlich von den Erwartungen der Standardkosmologie ab.

„Unsere Analyse zeigt, dass sich das Sonnensystem mehr als dreimal so schnell bewegt wie es die aktuellen Modelle erwarten lassen“, erklärt Böhme. Das Team ermittelte eine Geschwindigkeit, die 3,7-mal höher liegt als der theoretische Standardwert. Sollte sich dieser Befund bestätigen, würde er eine der zentralen Grundlagen erschüttern, auf denen unsere bisherigen Vorstellungen über die Entwicklung und Struktur des Universums beruhen.

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Radiogalaxien-Messung: Wie Forscher die Geschwindigkeit des Sonnensystems bestimmen

Um herauszufinden, wie schnell sich das Sonnensystem tatsächlich durch das Universum bewegt, wandte das Team um Böhme eine Methode an, die auf der Verteilung sogenannter Radiogalaxien beruht. Diese weit entfernten Galaxien senden starke Radiowellen aus, die selbst dichte Wolken aus Staub und Gas durchdringen.

Nach gängiger Vorstellungen sollten Radiogalaxien im Kosmos großräumig gleichmäßig verteilt sein. Bewegt sich jedoch unser Sonnensystem durch dieses galaktische Umfeld, erscheint in der Richtung, in die wir unterwegs sind, ein kleiner Überschuss an solchen Quellen.

Der Effekt ähnelt einer Autofahrt im Regen: Wer direkt in den Schauer hineinfährt, sieht die Tropfen vorn dichter als hinten. Diese winzige Ungleichverteilung, der sogenannte Dipol, dient den Forschenden als Maß für unsere kosmische Geschwindigkeit. Je stärker dieser Überschuss ausfällt, desto schneller bewegen wir uns.

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Radioteleskope: Die bisher präziseste Karte des Radiouniversums

Der Effekt ist winzig – so klein, dass er in normalen Beobachtungen leicht untergeht. Um ihn dennoch sichtbar zu machen, kombinierten die Forschenden Daten des europaweiten LOFAR-Radioteleskopverbunds mit Messungen zweier weiterer Radioteleskope. So entstand erstmals ein Datensatz, der einen sehr großen Teil des Himmels abdeckt und Radiowellen über einen breiten Frequenzbereich von 120 Megahertz bis vier Gigahertz erfasst.

Entscheidend war außerdem eine neue statistische Methode, die in der Studie vorgestellt wird. Sie ermöglicht es, Radiogalaxien korrekt zu identifizieren, die in den Beobachtungen aus mehreren einzelnen Radioquellen bestehen – ein Punkt, der frühere Analysen häufig ungenau oder fehleranfällig machte. Erst die Kombination aus dieser umfangreichen Datenbasis und der verbesserten Auswertungsmethode erlaubte es dem Team, die Bewegung des Sonnensystems so präzise zu bestimmen wie nie zuvor.

Kosmische Geschwindigkeit: Neue Messung zeigt überraschend starken Dipol

Die Auswertung der Radiodaten lieferte ein deutliches Ergebnis: Der gemessene Dipol ist wesentlich stärker als das Standardmodell der Kosmologie vorhersagt. Das ist auch statistisch gesehen bemerkenswert. Das Ergebnis erreicht eine Signifikanz von 5,4 Sigma, ein Wert, der in den Naturwissenschaften üblicherweise als Beleg für einen echten, nicht zufälligen Effekt gilt.

Zudem schließen die Forschenden Messfehler als Ursache weitgehend aus. In der Analyse heißt es, es sei „unwahrscheinlich, dass systematische Fehler über alle Radiofrequenzen hinweg genau denselben Effekt erzeugen“.

Hinzu kommt: Frühere Messungen der Quasarverteilung im Infrarotbereich hatten bereits ähnlich starke Abweichungen gezeigt, damals sogar mit 5,7 Sigma. Die neuen Radiodaten bestätigen diese Hinweise nun mit einer unabhängigen Messmethode – und machen den Befund damit umso schwerer zu ignorieren.

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Warum unser Sonnensystem so viel schneller unterwegs sein soll als bislang angenommen, ist bislang ungeklärt. Die Studie diskutiert zwei mögliche Erklärungen. Zum einen könnte unsere Region des Universums unter dem Einfluss bislang unbekannter, besonders massereicher Strukturen stehen, die eine stärkere Anziehungskraft ausüben, als es heutige Himmelskarten erkennen lassen. Zum anderen wäre denkbar, dass die Radiogalaxien im All doch nicht so gleichmäßig verteilt sind, wie es das Standardmodell voraussetzt.

Beide Szenarien wären für die Kosmologie unbequem, denn sie würden das Fundament unseres derzeitigen Weltbildes ins Wanken bringen. „Dieses Ergebnis widerspricht klar den Erwartungen aus der Standardkosmologie und zwingt uns, die bisherigen Annahmen zu überdenken“, sagt Böhme. Sein Kollege Dominik Schwarz ergänzt, man müsse „grundlegende Vorstellungen über die großräumige Struktur des Universums hinterfragen“, falls sich die Messungen bestätigen.

Um offene Fragen zu klären, setzen die Forschenden große Hoffnungen in künftige Radioteleskope wie das Square Kilometre Array (SKA). Dieser internationale Großbau – ein riesiges Netz aus Antennen und Schüsseln, das in Australien und Südafrika entsteht – soll das empfindlichste Radioteleskop der Welt werden. Mit seiner Messgenauigkeit ließe sich überprüfen, ob der beobachtete Effekt tatsächlich aus dem Universum selbst stammt oder ob die bisherigen Modelle der Kosmologie überarbeitet werden müssen.