Die Materie im Universum ist nicht willkürlich verteilt. Galaxien, Quasare und intergalaktische Gase umreißen ein Muster, das mit Seifenblasen verglichen wurde - es sind große Hohlräume, umgeben von dünnen Wänden aus Galaxien, mit dichten Galaxiehaufen, dort wo sich die Mauern kreuzen. Einer der primären Ziele der SDSS ist diese Struktur, über große Distanzen hinweg, so detailliert wie möglich zu kartografieren. Wissenschaftler haben viele Theorien darüber wie sich das Universum entwickeln könnte, wobei diese für das Universum unterschiedliche, großangelegte Strukturen voraussagen. Die Karten der SDSS könnten uns darauf hinweisen, welche Theorien richtig sind - oder ob wir mit vollkommen neuen Ideen aufkommen müssen.

Galaxiehaufen

Galaxien werden für gewöhnlich in der Nähe voneinander gefunden, in Galaxiehaufen. Die Verteilung dieser Haufen, und wie sich diese Verteilung mit der Zeit entwickelt, sind wichtige Untersuchungen der kosmologischen Modelle: zum Beispiel prophezeien verschiedene kosmologische Modelle unterschiedliche Anzahlen von Galaxiehaufen mit verschiedenen Rotverschiebungen. Zusätzlich dazu häufen sich nicht nur die Galaxien, sondern sogar die Haufen selbst! Der Grad zu dem die Gruppierungen, sowohl von Galaxien, wie auch von Galaxiehaufen tendieren, ist ebenso eine Untersuchung unterschiedlicher Theorien. Indem wir die Massen, Verteilungen und Entwicklungen von Galaxiehaufen studieren, können wir etwas über die Bildung von Masse im Universum lernen, ein grundlegendes Ziel der Kosmologie.

Ein optisches Bild eines Galaxiehaufens, überlagert mit einer Karte von Röntgenemissionen.

Weil Galaxiehaufen sehr massiv sein können (bis zu 10¹⁴ mal die Masse der Sonne), ist ihre Gravitation stark genug um extrem heiße Gase, mit Temperaturen von Millionen Graden, halten zu können. Dieses Gas emittiert Strahlung mit einer Wellenlänge, wie die von Röntgenstrahlen, welche von einem Röntgensatelliten beobachtet werden kann, so wie Chandra, ROSAT, and XMM. Diese Satelliten haben gezeigt, dass ein großer Anteil der Haufen eine Struktur und komplizierte interne Bewegungen hat, was darauf hindeutet, dass sie sich immer noch entwickeln. Ebenso haben Satellitenbeobachtungen gezeigt, dass das röntgenemittierende Gas den größten Teil der sichtbaren Masse in Galaxiehaufen ausmacht, der selbst größer als die Summe aller Galaxien ist. Das ist ein sehr interessantes Ergebnis - wir erinnern uns, dass Galaxiehaufen als eine übermäßige Dichte von Galaxien entdeckt wurden, und jetzt wissen wir, dass Galaxien bloß ein kleiner Bruchteil der gesamten Masse von Galaxiehaufen sind. Einige Astronomen haben sogar behauptet, dass Haufen ohne Galaxien genauso existieren können - ausschließlich gewaltige Klumpen aus Gas.

Galaxiehaufen haben eine gigantische Masse, und nach der allgemeinen Relativitätstheorie krümmen massive Objekte das Licht sobald es an ihnen vorüberzieht, ein Phänomen, das als Gravitationslinsen bekannt ist. Der Betrag davon wie stark die Ablenkung an einem Objekt durch die Gravitationslinse wirkt, die von einem Galaxiehaufen erzeugt wird, hängt von der Gesamtmasse des Haufens ab. Also können wir die Masse der Galaxiehaufen bestimmen, indem wir den Betrag der Ablenkung messen. Diese Messungen können mit anderen Masseschätzungen verglichen werden, so wie dem Anteil des Röntgengases und der Geschwindigkeit der Galaxien in dem Haufen. Mit diesen Masseschätzungen können wir das Masse-zu-Licht (M/L) Verhältnis für Galaxiehaufen berechnen. Dieses Verhältnis ermöglicht uns den sogenannten "bias", den systematischen Fehler, abzuschätzen, was uns darüber Auskunft gibt, wie die Galaxien bezüglich der restlichen Materie verteilt sind. Die M/L Verhältnisse tragen auch dazu bei, Einschränkungen über die totale Masse im Universum zu setzen.

Wenn wir die Masse der Galaxien, die wir sehen können, mit der Masse des Röntgengases addieren, das wir beobachtet haben, und es mit der abgeschätzten totalen Masse der Galaxiehaufen vergleichen, erkennen wir, dass die meiste Materie eine andere Art ist! Diese extra Masse wird dunkle Materie genannt, weil sie kein Licht emittiert. In der Tat stellt sich heraus, dass der Großteil des Universums anscheinend aus dunkler Materie besteht, die wir zwar nicht direkt sehen, aber deren Existenz wir aufgrund ihrer Gravitation folgern können. Wissenschaftler haben etliche Theorien darüber, was dunkle Materie sein könnte, aber keiner weiß es gewiss. Die Entdeckung dunkler Materie ist eine der größten und faszinierendsten Entdeckungen des letzten Jahrzehnts.

Ein sehr entfernter Galaxiehaufen, der mit dem Hubble Space Teleskop beobachtet wird. Man beachte die große Anzahl von alten, roten Galaxien.

Die meisten elliptischen und S0 Galaxien wurden in Haufen gefunden, und noch mehr solcher Galaxien wurden in dichteren Haufen entdeckt. Erstaunlicherweise haben Astronomen keine guten Erklärungen, warum die meisten Galaxiehaufen elliptische Galaxien enthalten. Sie haben auch ein äußerst vages Verständnis davon, wie sich die Galaxien in den Haufen entwickeln. Wenn wir in der Zeit zurück gehen, wissen wir, dass damals offensichtlich mehr blaue Galaxien in den Haufen waren, was darauf hindeutet, dass sich früher mehr Sterne gebildet haben müssen. Dennoch sehen wir auch Galaxiehaufen mit einer wesentlichen Anzahl von alten, roten Galaxien, sogar mit einer Rotverschiebung von ungefähr 1, als das Universum bloß ein paar Milliarden Jahre alt war. Mithilfe der SDSS wird es uns möglich sein die Typen und Massen von Galaxien in Tausenden von Haufen zu untersuchen, weit mehr als jemals zuvor erforscht wurden.

Supergalaxiehaufen

Superhaufen sind einfach Haufen von Galaxiehaufen. Während Haufen normalerweise in den Fasern und Wänden der "Seifenblase" des Universums zu finden sind, befinden sich die Superhaufen an den Kreuzungen dieser Mauern. Superhaufen sind die allergrößten bekannten Strukturen im Universum, wovon einige so groß sind wie 200.000.000 Lichtjahre! Jedoch sind nur ein paar wenige bekannt, da diese Strukturen sehr selten sind. Die bekanntesten Supergalaxiehaufen sind in der Nähe, einschließlich der großen Wand und dem Superhaufen im Sternenbild Perseus und Fische. Vor kurzem gab es einen Beweis für Superhaufen mit einer Rotverschiebung von etwa 1, der wichtige Einschränkungen auf Strukturbildungen und kosmologische Modelle setzt. Zusätzlich dazu sind die M/L Verhältnisse von Supergalaxiehaufen gleich denen von Galaxiehaufen. Diese Entdeckung unterstellt, dass die mysteriöse dunkle Materie nicht mehr zu der Masse des Universums beitragen kann, als sie zu der Masse von Haufen beiträgt.

Leerräume

Das untere Bild zeigt die Verteilung von 10.853 Galaxien in einem kleinen Streifen der SDSS Hauptdurchmusterung, zusammen mit 486 "leuchtenden roten Galaxien", die ausgewählt wurden, um die Struktur zu größeren Rotverschiebungen festzulegen. Dieses Muster macht nur 1% der erwarteten endgültigen spektroskopischen Daten aus! Das Blasen-ähnliche Netzwerk aus Mauern, Fasern und Leerräume ist deutlich sichtbar. Der Anteil des Raums, der von leeren Bereichen bedeckt ist (Leerraum) ist in verschiedenen kosmologischen Modellen unterschiedlich; folglich stellen präzise Karten der großangelegten Struktur im Universum Hinweise zu der Art des Universums, in dem wir leben, bereit.

Die Verteilung der Galaxien in einem Streifen der spektroskopischen Durchmusterung der SDSS.  (A. Pope, JHU)