Fraktale Natur der Galaxienklumpung im aktualisierten CfA-Redshift-Katalog

Warum der Nachthimmel dunkel, aber nicht leer ist

Schauen Sie an einer klaren Nacht nach oben, und Sie sehen verstreute Sterne, einen schwachen Streifen der Milchstraße und vielleicht einen fahlen Fleck einer anderen Galaxie. Astronomen wissen heute jedoch, dass es im Universum möglicherweise eine Billion Galaxien gibt. Wäre die Materie völlig gleichmäßig verteilt, würde der Himmel in jede Richtung vor Licht erstrahlen. Stattdessen ist der Raum größtenteils dunkel, und Galaxien sammeln sich in Klumpen und Filamenten, getrennt durch gewaltige leere Regionen. Dieser Artikel stellt eine auf den ersten Blick einfache Frage: Folgen Galaxien verborgenen „fraktalen“ Mustern – ähnlich wie kosmische Variationen von verzweigten Bäumen oder Küstenlinien –, die erklären können, wie Materie auf den größten Skalen verteilt ist?

Vom glatten Kosmos zum kosmischen Netz

Die moderne Kosmologie betrachtet das Universum oft als glatt, wenn man weit genug hinausscrollt – eine Idee, die dem Standardmodell der kosmischen Entwicklung, bekannt als ΛCDM, zugrunde liegt. Detaillierte Galaxienkarten zeigen jedoch etwas Verschachtelteres: lange Ketten, wandartige Flächen und gewaltige Voids, die zusammen ein riesiges dreidimensionales Netz bilden. Die Autorinnen und Autoren greifen einen Vorschlag auf, der bis zum Mathematiker Benoît Mandelbrot zurückreicht, wonach sich dieses Netz mit Fraktalen beschreiben lässt – Strukturen, die ähnliche Muster über viele Skalen hinweg wiederholen. Statt anzunehmen, dass Galaxien schließlich zu einem einheitlichen Nebel verschmieren, prüfen sie, ob die realen Daten eher einem fraktalen Hierarchiegefüge gleichen, in dem Cluster, Supercluster und Filamente einander von kleinen bis sehr großen Distanzen widerspiegeln.

Eine Million Galaxien nach verborgenen Mustern durchsuchen

Um diese Idee zu untersuchen, wenden sich die Forschenden einer der umfassendsten verfügbaren Ressourcen zu: dem aktualisierten CfA-Redshift-Katalog (UZCAT). Diese Zusammenstellung enthält Radialgeschwindigkeiten – wie schnell sich Galaxien durch die kosmische Expansion von uns entfernen – für etwa drei Viertel einer Million Galaxien, entnommen aus mehreren großen Durchmusterungen. Aus jedem gemessenen Rotverschiebungswert schätzt das Team die Entfernung der Galaxie mithilfe einer aktualisierten Form von Hubbles Gesetz. Sie bereinigen die Stichprobe, indem sie fehlklassifizierte Objekte, problematische Messwerte und extreme Ausreißer entfernen, und gruppieren die Galaxien dann in sieben Distanz- oder Geschwindigkeits»bänder«, von nahen Systemen bis hin zu solchen, die sich mit mehr als der halben Lichtgeschwindigkeit entfernen. Statistische Prüfungen deuten darauf hin, dass die verbleibenden Lücken in den Daten im Wesentlichen zufällig auftreten, sodass sie die großräumigen Muster, nach denen das Team sucht, wahrscheinlich nicht verzerren.

Das kosmische Netz durch fraktale Brillen lesen

Anstatt einfach Galaxien in Kästen zu zählen, wenden die Autorinnen und Autoren Werkzeuge aus der Untersuchung von Turbulenz und Chaos an, wo unregelmäßiges, impulsartiges Verhalten die Regel ist. Sie schneiden den Raum in Schalen mit zunehmender Entfernung von der Sonne und berechnen, wie sich die durchschnittliche Galaxienzahl mit der Skala verändert. Aus diesen Zählungen konstruieren sie ein „Multifraktal-Spektrum“, einen mathematischen Fingerabdruck, der angibt, wie stark dichte Regionen und leere Voids auf unterschiedlichen Skalen beitragen. In einem perfekt glatten Universum würde dieses Spektrum auf einen einzelnen Wert kollabieren; in einem fraktalen dehnt es sich aus. Das Team vergleicht das beobachtete Spektrum mit einer einfachen theoretischen Konstruktion, dem gewichteten Cantor-Set – einem klassischen Fraktal, das entsteht, indem man wiederholt Mittelstücke aus einer Linie entfernt und das „Gewicht“ ungleichmäßig auf die verbleibenden Teile verteilt. Dieses Modell wurde zuvor verwendet, um turbulente Plasmen im Sonnenwind und Laborversuche zu beschreiben.

Was die Zahlen über die kosmische Struktur aussagen

Die Analyse zeigt, dass die Verteilung der Galaxien nicht rein gleichmäßig ist, aber auch nicht stark fraktal. Das aus UZCAT extrahierte Multifraktal-Spektrum stimmt recht gut mit den gewichteten Cantor-Set-Modellen überein, besonders für die dichteren Teile des kosmischen Netzes. Eine einzige Schlüsselzahl, die misst, wie breit das Spektrum ist, erweist sich als moderat – etwa 0,1 bis 0,15 – deutlich kleiner als Werte, die im turbulenten Sonnenwind beobachtet werden, aber größer als im vergleichsweise ruhigen lokalen interstellaren Medium außerhalb des Einflussbereichs der Sonne. Das legt nahe, dass Galaxien einer überwiegend einfachen Skalierungsregel folgen, mit sanften, aber realen Abweichungen von der Gleichmäßigkeit. Die Breite und leichte Asymmetrie des Spektrums variieren etwas zwischen näheren und weiter entfernten Galaxienstichproben, was darauf hindeutet, dass große Voids und subtile Abweichungen von einer idealen Hubble-Expansion einen messbaren Abdruck auf das Galaxienklumpen hinterlassen können.

Ein fraktaler Anklang im standardmäßigen Universum

Anschaulich argumentiert die Studie, dass das Universum im Großen und Ganzen mit dem standardmäßigen kosmologischen Bild vereinbar ist, dabei aber eine „fraktale Note“ in der Anordnung der Galaxien zeigt. Das kosmische Netz scheint Skalierungsgesetzen zu folgen, die denen in turbulenten Fluiden ähneln, und diese Muster lassen sich mit bemerkenswert einfachen fraktalen Rezepten erfassen. Dennoch sind die allgemeinen Abweichungen von der Glätte klein genug, um komfortabel in die aktuellen ΛCDM-Modelle der Strukturentstehung zu passen. Wir können immer noch nur einen winzigen Bruchteil aller Galaxien kartieren und das dreidimensionale Netz nicht vollständig auflösen, sodass das endgültige Urteil darüber, ob das Universum tatsächlich fraktal ist, offen bleibt. Fürs Erste zeigt diese Arbeit, dass die dunklen Lücken und leuchtenden Stränge des Nachthimmels nicht zufällig sind: Sie tragen eine subtile Signatur fraktaler Ordnung, die sich über die größten Strukturen erstreckt, die wir beobachten können.

Zitation: Macek, W.M., Wójcik, D. Fractal nature of galaxy clustering in the updated CfA redshift catalog. Sci Rep 16, 6181 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36013-3

Schlüsselwörter: Galaxienklumpung, kosmisches Netzwerk, fraktales Universum, großräumige Struktur, Multifraktalanalyse