Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie

Interessierte: Galaxien

Inhalt

Vor weniger als Hundert Jahren wusste man noch kaum etwas über Galaxien, obwohl sie schon viel länger bekannt wurden. Heute kann man sie viel detaillierter beobachten und bis zu einer Entfernung von über 13 Milliarden Lichtjahren untersuchen, was zu neuen Erkenntnissen geführt hat. In diesem Artikel werden die verschiedenen Galaxientypen anhand der Hubble-Sequenz eingeführt. Weiter werden das merkwürdige Rotationsverhalten und die Entstehung von Spiralgalaxien diskutiert. Abschließend wird ein Kommentar versucht.

Historisches

Klassifikation von Galaxien

Merkwürdiges Rotationsverhalten

Galaxienentstehung

Zusammenfassung

Epilog: Kosmisches Design?

Literatur

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Historisches

Was sind Galaxien? Niemand konnte es vor 1900 sagen, einige wenige um 1920. Nach 1924 glaubte man es zu wissen…

Bereits Immanuel Kant (1724-1804) spekulierte über die diffusen Nebel, welche seit der Erfindung des Fernrohrs am Himmel in immer größerer Zahl gefunden wurden. Er glaubte, dass diese Nebel Welten seien wie unsere eigene (Weltinselhypothese). William Herschel (1738-1822) leistete viel für das Verständnis unserer eigenen Milchstraße und beobachtete mit seinem Spiegelteleskop viele dieser Nebel. Seiner Ansicht nach lag die Sonne im Zentrum der Milchstraße. Die Distanzen zu den Sternen wurden in der frühen Zeit damals (und bis Anfangs des 20. Jahrhunderts) mit der trigonometrischen Methode gemessen, die darauf beruht, dass sich die Sterne durch die Bewegung der Erde um die Sonne im Jahresrhythmus (aus unserer Perspektive) verschieben. Leider liefert diese Methode nur für nahe Sterne genaue Ergebnisse. Weiter wurden die Sterndistanzen tendenziell überschätzt, da interstellarer (=zwischen den Sternen) Staub, der das Licht der Sterne abschwächt, nicht berücksichtigt wurde. Um 1912 wurde mit den variablen Cepheid-Sternen eine zuverlässigere Methode der Distanzbestimmung verfügbar. Harlow Shapley (1885-1972) machte Gebrauch von dieser Methode und zeigte, dass die Milchstraße viel größer ist als zuvor gedacht und die Sonne nicht in ihrem Zentrum liegt, sondern in den äußeren Bereichen. Diese Ansicht wurde aber von der großen Mehrheit der damaligen Astronomen nicht geteilt. Es herrschte zudem die allgemeine Ansicht, dass sich diese „dunstigen Spiralnebel“ innerhalb unserer Milchstraße befänden. Die Idee, dass diese Nebel Galaxien seien, ähnlich unserer Milchstraße aus Sternen aufgebaut, wurde ignoriert oder verspottet. Auch Shapley, der viel für das Verständnis unserer Milchstraße beigetragen hatte, schloss sich der konservativen Sicht an. Noch in den 1920er Jahren wurde die Natur der Galaxien heftig debattiert (siehe auch Historische Entwicklung der modernen Kosmologie).

Edwin Hubble (1889-1953) schien die Debatte schließlich definitiv zu entscheiden. 1924 gelang es ihm, die Randpartien des Andromeda-Nebels (=nächste große Galaxie) in Einzelsterne aufzulösen. Er entdeckte u.a. Cepheiden, Novae (=regelmäßig sehr hell aufleuchtende Doppelsternsysteme) und O-B-Sterne (=massenreiche, helle Sterne). Damit war die Natur der „Spiralnebel“ erkannt. Hubble berechnete anhand von variablen Cepheid-Sternen die Distanz von Andromeda zur Erde. Obwohl Hubble mit 900 000 Lichtjahren die Distanz noch gewaltig unterschätzte, bedeutete sie endgültig das Ende von Shapleys Universum.

Heute ist die extragalaktische (=ausserhalb der Milchstraße) Natur der Galaxien astronomisches Allgemeingut. Mit Hilfe besserer Beobachtungsinstrumente wurde sogar noch ein viel detaillierterer Einblick in die extragalaktische Welt gewonnen. 1943 wurden die Seyfert-Galaxien entdeckt, 1946 die Radiogalaxien und 1963 schließlich die noch viel exotischeren Quasare (siehe Aktive Galaxien). In jüngster Zeit wurden mit dem Hubble Space Telescope das Universum auch in sehr hoher Entfernung untersucht. Man spricht vom „Hubble Deep Field“ (siehe Der tiefe Blick ins Universum). Heute werden extragalaktische Objekte im gesamten elektromagnetischen Spektrum untersucht, d.h. im infraroten, sichtbaren, Röntgen- und γ- (=sehr energiereich, kurzwellig)-Bereich.

Klassifikation von Galaxien

Es ist gar nicht einfach, die Spiralstruktur unserer eigenen Milchstraße zu beobachten, da wir mittendrin sind. Einfacher ist es, die Form anderer Galaxien zu untersuchen. Dabei gibt es Galaxien in sehr verschiedenen Formen. Hubble klassifizierte 1926 verschiedene Galaxietypen, die im Folgenden vorgestellt werden sollen. Grundsätzlich gibt es reguläre (symmetrische) und irreguläre Galaxien. Die regulär erscheinenden werden in die sogenannte Hubble-Sequenz eingeteilt (Abb. 159). Trotz ihrer auffallenden Ordnung, bilden diese Galaxien-Abfolgen keine Entwicklungsreihe, wie man das vermuten könnte. Das Verständnis der Bildung und Funktionsweise der Galaxien ist außerdem immer noch sehr rudimentär.

Spiralgalaxien sind wahrscheinlich die häufigsten unter den verschiedenen Typen von hellen Galaxien. Wie unsere eigene Galaxie rotieren sie und haben die berühmte Scheibenform mit einem Kern im Zentrum (Abb. 160). Je nach dem Grad ihrer Öffnung werden sie als Sa, Sb, Sc und so weiter klassifiziert (Abb. 159), wobei der zentrale Kern der Galaxie von Sa bis Sc unbedeutender wird. Unsere Milchstraße wie auch Andromeda sind vom Typ Sb. Einige Spiralgalaxien haben auch Balken (Abb. 161). Sie werden Balkenspiralen genannt und tragen die Bezeichnungen SBa, SBb uns so weiter analog den gewöhnlichen Spiralgalaxien.

Nehmen wir die Milchstraße als Vorbild für Spiralgalaxien, so finden wir die Zusammensetzung von 90% Sternen und 10% interstellarem Medium, das wiederum zu 99% aus Gas und zu 1% aus Staub besteht. Spiralgalaxien sind zudem von einem kugelförmigen Halo umgeben, in dem sich Kugelsternhaufen (=große kugelförmige Ansammlung von Sternen) befinden. Der Durchmesser einer Spiralgalaxie kann bis einige Hunderttausend Lichtjahre betragen.

Elliptische Galaxien kommen unter den Galaxien am häufigsten vor. Sie sind ellipsenförmig in ihrer Gestalt (Abb. 162) und zeigen sehr wenig Rotation. Sie werden je nach ihrer Exzentrizität (=Maß für die Verzerrung der Ellipse) mit E0 bis E7 bezeichnet (Abb. 159). Im Gegensatz zu Spiralgalaxien enthalten sie auch nur sehr wenig Gas und Staub. Die Lichtverteilung einer elliptischen Galaxie, wie sie von der Erde aus beobachtet wird, kommt gegen den Rand der Galaxie nicht zu einem abrupten Ende, sondern wird kontinuierlich schwächer, bis die Helligkeit des Hintergrundes angenommen wird.

Ein weiterer Galaxientyp sind die S0-Galaxien. Sie bilden eine Zwischenform zwischen Spiralgalaxien und elliptischen Galaxien. Zuletzt sei noch ein Beispiel einer irregulären Galaxie gezeigt: Abb. 163. Irreguläre Galaxien bilden etwa 3% sämtlicher Galaxien.

Merkwürdiges Rotationsverhalten

Spiralgalaxien zeigen eine auffällige Eigenschaft: Aufgrund der Verteilung der beobachteten Masse würde man nach den Newtonschen Gravitationsgesetzen erwarten, dass die Umlaufgeschwindigkeit der Materie nach außen hin abnimmt. Man hat jedoch festgestellt, dass die Umlaufgeschwindigkeit nicht abnimmt, sondern etwa gleich groß bleibt. Weit vom Zentrum entfernte Objekte bewegen sich also schneller, als es die vorhandene Gravitationskraft zulässt (Abb. 164). Um dieses Problem zu lösen, nimmt man an, dass sich sogenannte dunkle Materie im Halo befindet, das die Galaxie kugelförmig umgibt (siehe Dunkle Materie und dunkle Energie). Bei dieser dunklen Materie handelt es sich um eine Materieform, die nur sehr schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt und die kein Licht abstrahlt. Damit ist sie kaum registrierbar. Die Natur der dunklen Materie ist heute nicht verstanden.

Galaxienentstehung

Die Entstehung von Galaxien ist trotz über 40 Jähriger Forschung immer noch nur wenig verstanden. Von einer Einigkeit unter den Forschern ist man weit entfernt. Vor allem ist es schwierig, die z.T. wunderschön ausgebildeten Spiralstrukturen zu erklären. Seit den 1960er Jahren werden verschiedene Theorien diskutiert, die hier nicht im einzelnen vorgestellt werden sollen. Sie beruhen auf theoretischen Überlegungen, die heute durch aufwändige Computersimulationen modelliert werden. Dabei ist festzuhalten, dass man sich nicht einmal darauf einigen kann, ob die eindrückliche Spiralstruktur ein kurzlebiges oder ein anhaltendes Phänomen sei. Zwar gelingt es, durch Computersimulationen die Spiralstruktur bis zu einem gewissen Grad nachzuvollziehen, so wurde doch erst kürzlich wieder vom Scheitern dieses Unternehmens an einem konkreten Beispiel berichtet (Lucentini 2002).

Um die Problematik zu verdeutlichen, sollen zwei Zitate aus der Primärliteratur genannt werden:

„Die Bildung von Galaxienscheiben ist heute eines der wichtigsten ungelösten Probleme in der Astrophysik.“ (Sommer-Larsen et al. 1999)

„Das Versagen, Galaxienscheiben ähnlich wie die beobachteten zu bilden, zusammen mit dem Überschuss an Unterstrukturen, stellen eine ernstzunehmende Herausforderung für das ΛCDM (=Konkordanzmodell mit dunkler Materie und dunkler Energie) Paradigma dar (siehe Dunkle Materie und dunkle Energie), was nahe legt, dass ein fundamentaler Bestandteil für unser Verständnis der Bildung von galaktischen- und subgalaktischen Strukturen fehlt.“ (Governato et al. 2004)

Weiter ist in diesem Zusammenhang bemerkenswert, dass es im Gegensatz zu Sternentstehungsgebieten keine Entsprechungen zu Galaxien gibt; d. h. es sind keine Galaxienentstehungsgebiete zweifelsfrei nachgewiesen worden. Blickt man im Universum zu weit entfernten Galaxien, die man aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit in einem Stadium sieht, als sie noch viel jünger waren, so findet man kaum Objekte, die als Vorläufer zu heutigen Galaxien aufgefasst werden können. Im Gegenteil, gewöhnliche Spiral- und elliptische Galaxien gibt es in allen Entfernungen und damit zu allen Zeiten – wenn die Modellvorstellungen stimmen – und man findet sogar schon in einem sehr frühen Stadium des Universums (also in großer Entfernung) voll ausgebildete, ‚alt’-aussehende Galaxien (siehe Der tiefe Blick ins Universum). (Wirth 2004)

Zusammenfassung

Im Gegensatz zu Sternen sind Galaxien immer noch eher schlecht verstanden. Vor weniger als 100 Jahren wusste man so gut wie nichts über sie. In der Zwischenzeit ist man zwar zu einigen Erkenntnissen gekommen, was ihre Natur und Zusammensetzung betrifft, ihre Entstehung birgt aber immer noch viele Rätsel. Eindeutige Entstehungsgebiete von Galaxien hat man im Universum bislang nicht gefunden. Auch kann man sich das auffällige Rotationsverhalten der Galaxien nur mit Hilfe einer bisher unentdeckten dunklen Materie erklären. Angesichts der langjährigen Forschung auf diesem Gebiet ist das eine unbefriedigende Bilanz.

Epilog: Kosmisches Design?

Ein Aspekt, der noch keine Erwähnung fand, ist die Schönheit der Galaxien. Als Paradebeispiele dienen wohl die elegant geformten Spiralgalaxien (Abb. 160). Meiner Ansicht nach gehören sie zu den schönsten Objekten im Universum überhaupt. Mit ihrer unbegreiflichen Größe und ihrem unverstandenen Verhalten wirken sie auf mich erhaben und geheimnisvoll zugleich. Wie hätte man das Universum schöner und interessanter gestalten können als durch diese riesigen, hell leuchtenden Sternsysteme inmitten dunklen, leeren Raumes? Könnten Galaxien und insbesondere Spiralgalaxien vielleicht Hinweise auf kosmisch angelegtes Design sein?

Literatur

Governato F. et al. (2004) The formation of a realistic disk galaxy in Λ-dominated cosmologies. The Astrophysical Journal 607, 688-696.

Lucentini J. (2002) The Mysteries of Galaxiy Spirals. The beautiful patterns in spiral galaxies continue to defy easy explanation. Sky & Telescope 104(3), 37-44.

Narlikar J.V. (2002) An Introduction to Cosmology. Cambridge University Press. Third Edition.

Sommer-Larsen J., Gelato S., Vedel H. (1999) Formation of disk galaxies: Feedback and angular momentum problem. The Astrophysical Journal 519, 501-512.

Trefzger C. (2001) Extragalaktische Astrophysik. Vorlesungsskriptum. Astronomisches Institut der Universität Bern.

Wirth G.D. (2004) Nature 430, 149-150.

Autor: Studiengemeinschaft Wort und Wissen, 30.09.2004

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