Galaxien - Astronomie. 1 EINLEITUNG Galaxien, aus einer riesigen Ansammlung von einigen hundert Millionen bis einigen Milliarden Sternen bestehende Systeme, ähnlich unserem Milchstraßensystem. Die zu einer Galaxie gehörenden Sterne beeinflussen sich gegenseitig durch ihre Schwerkraft und kreisen um ein gemeinsames Zentrum. Die Sonne mit ihren Planeten ist nur ein Stern in dieser Galaxie. Mit bloßem Auge können drei Galaxien gesehen werden: der Andromedanebel sowie die Kleine und die Große Magellan'sche Wolke. Außer Sternen und Planeten enthalten die Galaxien noch Sternhaufen, atomaren Wasserstoff, molekularen Wasserstoff, komplexe Moleküle, die u. a. aus Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Silicium bestehen, und kosmische Strahlen. Die Ansammlung mehrerer Galaxien (bis zu einigen Tausend) bezeichnen Astronomen als Galaxienhaufen (siehe hierzu auch Verteilung der Galaxien). 2 ANFÄNGE DER GALAXIENFORSCHUNG Dem persischen Astronomen al-Sufi wird die erste Beschreibung des schwachen Lichtfleckes im Sternbild Andromeda zugeschrieben, von dem wir heute wissen, dass es sich um eine Nachbargalaxie unserer eigenen Galaxie handelt. 1780 veröffentlichte der französische Astronom Charles Messier ein Liste von Objekten, die keine Sterne sind. 32 dieser Objekte sind tatsächlich Galaxien. Diese Galaxien werden heute mit ihren Messierzahlen (M) bezeichnet. Der Andromedanebel z. B. wird unter Astronomen als M 31 bezeichnet. Im frühen 19. Jahrhundert wurden Tausende von Galaxien von William und Caroline Herschel und John Herschel entdeckt und katalogisiert. Seit 1900 sind sehr viele Galaxien mit Hilfe photographischer Verfahren entdeckt worden. Sehr weit entfernte Galaxien erscheinen auf Fotos so winzig, dass sie kaum von Sternen zu unterscheiden sind. Die größte bekannte Galaxie hat etwa 13-mal so viele Sterne wie die Milchstraße. 1912 entdeckte der am Lowell Observatory in Arizona arbeitende amerikanische Astronom Vesto M. Slipher, dass die Spektren aller Galaxien zum roten Bereich hin verschoben waren (siehe Rotverschiebung; Spektroskopie). Sein Landsmann Edwin Hubble interpretierte diese Rotverschiebung als Beweis dafür, dass sich alle Galaxien voneinander entfernen. Er zog daraus die Schlussfolgerung, dass sich das Universum ausdehnt. Es ist nicht bekannt, ob es sich immer weiter ausdehnen wird, oder ob das Universum genügend Materie besitzt, um die Galaxien durch ihre Schwerkraft zu bremsen, so dass diese wieder zusammenfallen. Siehe Kosmologie 3 KLASSIFIZIERUNG DER GALAXIEN Auch bei der Betrachtung mit einem großen Teleskop erkennt man nur bei den nächstgelegenen Galaxien einzelne Sterne. Bei den meisten Galaxien wird nur das gesammelte Licht aller Sterne entdeckt. Sie weisen unterschiedliche Formen auf. Einige sind im Großen und Ganzen kugelförmig und haben einen hellen Kern. Diese werden auch elliptische Galaxien genannt und enthalten vor allem alte Sterne, wenig sichtbares Gas oder Staub und nur wenige junge Sterne. Elliptische Galaxien kommen in allen Größen vor. Im Gegensatz dazu sind Spiralgalaxien abgeflachte Scheiben, die neben einigen alten Sternen auch große Mengen junger Sterne sowie viel Gas, Staub und Molekülwolken enthalten, aus denen Sterne entstehen. Oft sind die Gebiete mit den hellen jungen Sternen und Gaswolken in Form von langen Spiralarmen angeordnet, die sich um die Galaxie herumwinden. Gewöhnlich umgibt ein Halo aus schwachen älteren Sternen die Scheibe. Andere scheibenförmige Galaxien, die nicht spiralförmig sind, werden als unregelmäßige Galaxien eingestuft. Diese Galaxien haben ebenfalls große Mengen an Gas, Staub und jungen Sternen, die aber nicht spiralförmig angeordnet sind. Sie befinden sich gewöhnlich in der Nähe größerer Galaxien, und ihre äußere Form ist möglicherweise das Ergebnis von Schwerkrafteinwirkungen durch diese größere Galaxie. Quasare sind Objekte, die ähnlich wie Sterne erscheinen, aber ihre ausgeprägten Rotverschiebungen weisen sie als sehr weit entfernt aus (siehe Radioastronomie). Heute vermuten die meisten Astronomen, dass Quasare aktive Galaxien sind, deren Kerne riesige Schwarze Löcher enthalten. Sie sind möglicherweise eng verwandt mit Radiogalaxien und mit Lacertiden. 4 BESTIMMUNG AUSSERGALAKTISCHER ENTFERNUNGEN Es ist nicht möglich, aus der Betrachtung einer Galaxie mit dem Teleskop ihre Entfernung abzuleiten, da es sich sowohl um eine riesige Galaxie in einer großen Entfernung als auch um eine kleinere Galaxie näher an der Erde handeln kann. Astronomen schätzen die Entfernungen, indem sie Helligkeit oder Größe von Objekten einer unbekannten Galaxie mit solchen in unserer Galaxie vergleichen. Die hellsten Sterne, Supernovae, Sternhaufen und Gaswolken werden dafür benutzt. Bei variablen Cepheiden (siehe Stern: Veränderliche Sterne) ändert sich die Helligkeit periodisch. Diese Himmelsobjekte sind besonders wertvoll, da die Periode der Schwankung in Beziehung zur tatsächlichen Helligkeit des Sternes steht. Durch die Beobachtung der Periode kann die wahre Helligkeit berechnet und mit der scheinbaren Helligkeit verglichen werden; daraus lässt sich die Entfernung ableiten. Eine neue Erkenntnis der Astronomen ist, dass die Geschwindigkeit der Sterne, mit der sie um das Zentrum der Galaxie kreisen, von ihrer wahren Helligkeit und der Masse der Galaxie abhängig ist. Schnell rotierende Galaxien sind extrem hell, langsam rotierende leuchten schwach. 5 VERTEILUNG DER GALAXIEN Galaxien finden sich gewöhnlich nicht isoliert im Weltraum, sondern sind oft Teile kleiner oder mittelgroßer Gruppen, die wiederum große Galaxienhaufen bilden. Unsere Galaxie (Milchstraße) ist Teil der Lokalen Gruppe, die sich vermutlich aus mehr als 30 Objekten zusammensetzt. Die Milchstraße und der Andromedanebel sind ihre beiden größten mit je 100 bis 200 Milliarden Sternen. Die Magellan'schen Wolken sind nahe gelegene Satellitengalaxien, die klein sind und schwach leuchten. Sie bestehen aus etwa 100 Millionen Sternen. Der nächste Galaxienhaufen ist der Virgo-Haufen im Sternbild Jungfrau. Er enthält Tausende von Galaxien verschiedenster Typen. Sie alle haben eine gemeinsame Bewegungsrichtung, deren Ursache in einem riesigen Galaxienhaufen liegen könnte, der durch unsere eigene Galaxie verborgen wird. Einige Theoretiker vertreten hingegen die Ansicht, dass ein kosmischer Faden, ein eindimensionaler Riss im Gewebe aus Raum und Zeit, die Ursache sein könnte. Die Galaxienhaufen im Universum sind nicht gleichmäßig verteilt. Vielmehr sind sie mit Zehntausenden von Galaxien in langen, bandartigen Reihen angeordnet und von riesigen Leerräumen umgeben. Die Große Mauer, ein Galaxienband, das 1989 entdeckt wurde, erstreckt sich über mehr als eine halbe Milliarde Lichtjahre. Die entferntesten Galaxien, die wir kennen, sind die schwachen blauen Objekte am Rand des beobachtbaren Universums. Bilder von solchen Objekten erhält man, indem man ein Teleskop auf offensichtlich leere Regionen am Himmel richtet und mit einem festen Ladungsdetektor das sehr schwache Licht sammelt und dann die Bilder mit einem Computer bearbeitet. Die Galaxien, die sich mit etwa 88 Prozent der Lichtgeschwindigkeit entfernen, könnten etwa zwei Milliarden Jahre nach dem Ursprung des Universums entstanden sein. 1995 entdeckten Astronomen der Europäischen Südsternwarte in Chile eine Galaxie am Rand des Universums. Sie soll sich kurz nach der Entstehung des Alls gebildet haben und rund 11 Milliarden Lichtjahre entfernt sein. 1996 entdeckten Astronomen ein Gegenstück zur Großen Mauer am Nordhimmel: Der Große Attraktor am Südhimmel ist ein gewaltiger Galaxienhaufen mit einer ähnlichen Ausdehnung wie die Große Mauer. Auf die Existenz des Großen Attraktors hatte man geschlossen, weil er durch seine Schwerkraft umgebende Galaxien einschließlich unserer Milchstraße anzieht. Kosmischer Staub hatte bislang seine Beobachtung verhindert. Im August 1997 entdeckten niederländische und amerikanische Astronomen eine bis dahin unbekannte schätzungsweise 13 Milliarden Jahre alte Galaxie. Sie ist damit älter und weiter von der Erde entfernt als alle bislang bekannten Sternensysteme. Erste Hinweise auf ihre Existenz erhielt das Forscherteam durch ein Bild, das vom HubbleWeltraumteleskop zur Erde übertragen worden war. Mit Hilfe der beiden Keck-Teleskope auf Hawaii ( siehe Mauna-Kea-Observatorium), den weltweit größten ihrer Art, war es dann möglich, die Galaxie auch von der Erde aus auszumachen und genug Licht einzufangen, um ihr Spektrum zu analysieren. Die über die Keck-Teleskope gewonnenen Daten deuten darauf hin, dass der sichtbare Lichtschein der entdeckten Galaxie mindestens 13 Milliarden Jahre durch das All zur Erde unterwegs gewesen ist. Zwar hatten Astronomen in der Vergangenheit das Alter anderer Galaxien verschiedentlich bereits höher veranschlagt; ihre Schätzungen hielten jedoch späteren spektroskopischen Analysen nicht stand und mussten nach unten korrigiert werden. In den meisten Fällen war es den Wissenschaftlern nicht gelungen, genug Licht einzufangen, um eine exakte Altersbestimmung vornehmen zu können. Die Schwerkraft ( siehe Gravitation), die von einer massierten Sternensystemhäufung nahe der Sichtlinie zwischen Erde und der neu entdeckten Galaxie ausgeht, krümmt das Licht und bewirkt ein Phänomen, das als Gravitationslinse bekannt ist; es wurde bereits in der allgemeinen Relativitätstheorie des Physikers Albert Einstein vorausgesagt. Die dadurch auftretende Verzerrung verleiht der Galaxie eine halbmondförmige Gestalt und lässt sie größer erscheinen. Die holländisch-amerikanische Astronomengruppe hat den gravitatorischen Linseneffekt in ihren Berechnungen bereits berücksichtigt. In der neu entdeckten Galaxie gibt es extrem große Anhäufungen dicht stehender Sterne. Obwohl sie nur ein Viertel der Größe der Milchstraße hat, strahlt sie zehnmal so hell. Neuere Forschungen zeigen, dass kosmische Gas- und Staubwolken von großer Bedeutung für die Bildung neuer Sterne und Planetensysteme sind. Diese Wolken ziehen sich aufgrund ihrer eigenen Gravitation zusammen, es kommt zu einer Materieballung und schließlich zur Entstehung eines neuen Sterns. Auch unsere Sonne entstand vor 4,6 Milliarden Jahren auf diese Weise. 6 DIE ROTATION DER SPIRALGALAXIEN Sterne und Gaswolken kreisen um das Zentrum ihrer Galaxie. Die Perioden der Umkreisungen liegen in einer Größenordnung von Hunderten von Jahrmillionen. Diese Bewegungen werden erforscht, indem man die Lage von Linien im Spektrum der Galaxie misst. In Spiralgalaxien bewegen sich die Sterne in kreisförmigen Bahnen mit Geschwindigkeiten, die mit der Entfernung vom Zentrum zunehmen. Am Rand der Spiralscheiben sind Geschwindigkeiten von 300 Kilometern pro Sekunde in Entfernungen von 150 000 Lichtjahren gemessen worden. Diese Geschwindigkeitszunahme mit der Entfernung vom Zentrum ist anders als die Geschwindigkeiten im Sonnensystem. Dort nehmen die Geschwindigkeiten der Planeten mit zunehmender Entfernung von der Sonne ab. Dieser Unterschied weist darauf hin, dass die Masse einer Galaxie nicht in ihrem Mittelpunkt konzentriert ist wie die Masse im Sonnensystem. Ein bedeutender Teil der Masse einer Galaxie befindet sich weit vom Zentrum entfernt, leuchtet aber so schwach, dass er nur über seine Gravitationseinflüsse entdeckt wurde. Untersuchungen der Sterngeschwindigkeiten in externen Galaxien haben die Annahme gestärkt, dass ein großer Teil der Masse des Universums aus Dunkler Materie besteht. 7 STRAHLUNG AUS GALAXIEN Die Kenntnis vom Vorhandensein einer Galaxie beruht auf optischen Beobachtungen. Das Wissen von ihrer Zusammensetzung und von den Bewegungen der einzelnen Sterne stammen aus Spektraluntersuchungen im optischen Bereich. Da der Wasserstoff in den Spiralarmen einer Galaxie im Radiobereich des elektromagnetischen Spektrums strahlt, können viele Details der Struktur von Galaxien durch Untersuchungen im Radiobereich ermittelt werden. Der warme Staub im Kern und in den Spiralarmen einer Galaxie strahlt im infraroten Bereich des Spektrums. Einige Galaxien strahlen mehr Energie im optischen Bereich ab. Neuere Untersuchungen im Bereich der Röntgenstrahlen haben bestätigt, dass die Halos der Galaxien Gas mit Temperaturen von Millionen von Graden enthalten. Röntgenstrahlung wird auch bei so verschiedenen Objekten wie kugelförmigen Haufen (Kugelsternhaufen), Überresten von Supernovae und heißem Gas in Galaxiehaufen beobachtet. Beobachtungen im ultravioletten Bereich zeigen auch Eigenschaften des Gases im Halo und Details der Entwicklung von jungen Sternen in Galaxien. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.
