Das Leben von Galaxien und die Geschichte ihrer Erforschung

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Die Geschichte der Erforschung von Planeten und Sternen wird in Jahrtausenden gemessen, die Sonne, Kometen, Asteroiden und Meteoriten - in Jahrhunderten. Aber im ganzen Universum verstreute Galaxien, Sternhaufen, kosmische Gas- und Staubpartikel wurden erst in den 1920er Jahren zum Gegenstand der wissenschaftlichen Forschung.

Galaxien werden seit jeher beobachtet. Eine Person mit scharfem Sehvermögen kann Lichtflecken am Nachthimmel unterscheiden, ähnlich wie Milchtropfen. Im 10. Jahrhundert erwähnte der persische Astronom Abd-al-Raman al-Sufi in seinem Buch der Fixsterne zwei ähnliche Orte, die heute als Große Magellansche Wolke und die Galaxie M31, auch bekannt als Andromeda, bekannt sind.

Mit dem Aufkommen von Teleskopen haben Astronomen immer mehr dieser Objekte, genannt Nebel, beobachtet. Wenn der englische Astronom Edmund Halley 1716 nur sechs Nebel aufführte, dann enthielt der 1784 veröffentlichte Katalog des französischen Marineastronomen Charles Messier bereits 110 – und darunter vier Dutzend echte Galaxien (einschließlich M31).

1802 veröffentlichte William Herschel eine Liste mit 2.500 Nebeln, und sein Sohn John veröffentlichte 1864 einen Katalog mit mehr als 5.000 Nebeln.

Unser nächster Nachbar, die Andromeda-Galaxie (M31), ist eines der beliebtesten Himmelsobjekte für astronomische Amateurbeobachtungen und Fotografie.

Die Natur dieser Objekte hat sich lange Zeit dem Verständnis entzogen. Mitte des 18. Jahrhunderts sahen einige anspruchsvolle Geister in ihnen Sternsysteme ähnlich der Milchstraße, aber Teleskope boten damals keine Gelegenheit, diese Hypothese zu überprüfen.

Ein Jahrhundert später herrschte die Meinung vor, dass jeder Nebel eine Gaswolke ist, die von innen von einem jungen Stern beleuchtet wird. Später waren Astronomen davon überzeugt, dass einige Nebel, darunter Andromeda, viele Sterne enthalten, aber lange Zeit war nicht klar, ob sie sich in unserer Galaxie oder darüber hinaus befinden.

Erst 1923-1924 stellte Edwin Hubble fest, dass die Entfernung von der Erde zu Andromeda mindestens das Dreifache des Durchmessers der Milchstraße betrug (tatsächlich etwa das 20-fache) und dass M33, ein weiterer Nebel aus dem Messier-Katalog, kein weniger weit von uns entfernt. Diese Ergebnisse markierten den Beginn einer neuen wissenschaftlichen Disziplin – der galaktischen Astronomie.

1926 schlug der berühmte amerikanische Astronom Edwin Powell Hubble seine Klassifikation von Galaxien nach ihrer Morphologie vor (und modernisierte sie 1936). Aufgrund ihrer charakteristischen Form wird diese Einteilung auch „Hubble Stimmgabel“genannt.

Auf dem „Stamm“der Stimmgabel befinden sich elliptische Galaxien, auf den Zinken der Gabel - linsenförmige Galaxien ohne Ärmel und Spiralgalaxien ohne Balkenbrücke und mit Balken. Galaxien, die nicht in eine der aufgeführten Klassen eingeordnet werden können, werden als irregulär oder irregulär bezeichnet.

Zwerge und Riesen

Das Universum ist gefüllt mit Galaxien unterschiedlicher Größe und Masse. Ihre Zahl ist sehr ungefähr bekannt. Im Jahr 2004 entdeckte das Hubble-Umlaufteleskop in dreieinhalb Monaten etwa 10.000 Galaxien und scannte im südlichen Sternbild Fornax eine Himmelsregion, die hundertmal kleiner ist als die Fläche der Mondscheibe.

Geht man davon aus, dass Galaxien mit gleicher Dichte über die Himmelssphäre verteilt sind, ergeben sich im beobachteten Raum 200 Milliarden. Diese Schätzung wird jedoch stark unterschätzt, da das Teleskop sehr viele sehr lichtschwache Galaxien nicht wahrnehmen konnte.

Form und Inhalt

Galaxien unterscheiden sich auch in der Morphologie (dh in der Form). Im Allgemeinen werden sie in drei Hauptklassen unterteilt - scheibenförmig, elliptisch und unregelmäßig (unregelmäßig). Dies ist eine allgemeine Klassifizierung, es gibt viel detailliertere.

Galaxien sind im Weltraum keineswegs zufällig verteilt. Massive Galaxien sind oft von kleinen Satellitengalaxien umgeben. Sowohl unsere Milchstraße als auch die benachbarte Andromeda haben mindestens 14 Satelliten, und höchstwahrscheinlich sind es noch viele mehr. Galaxien lieben es, sich in Paaren, Drillingen und größeren Gruppen von Dutzenden von gravitativ gebundenen Partnern zu vereinen.

Die größeren Assoziationen, galaktische Haufen, enthalten Hunderte und Tausende von Galaxien (der erste dieser Haufen wurde von Messier entdeckt). Im Zentrum des Haufens wird zeitweise eine besonders helle Riesengalaxie beobachtet, die vermutlich bei der Verschmelzung kleinerer Galaxien entstanden ist.

Und schließlich gibt es auch Superhaufen, die sowohl galaktische Haufen und Gruppen umfassen, als auch einzelne Galaxien. Normalerweise sind dies langgestreckte Strukturen mit einer Länge von bis zu Hunderten von Megaparsec. Sie sind durch fast vollständig galaxienfreie Raumhohlräume gleicher Größe getrennt.

Superhaufen sind nicht mehr in Strukturen höherer Ordnung organisiert und werden zufällig über den Kosmos verstreut. Aus diesem Grund ist unser Universum auf einer Skala von mehreren hundert Megaparsec homogen und isotrop.

Eine scheibenförmige Galaxie ist ein stellarer Pfannkuchen, der sich um eine Achse dreht, die durch sein geometrisches Zentrum verläuft. Normalerweise befindet sich auf beiden Seiten der zentralen Zone des Pfannkuchens eine ovale Ausbuchtung (von der englischen Ausbuchtung). Die Ausbuchtung rotiert ebenfalls, jedoch mit einer geringeren Winkelgeschwindigkeit als die Scheibe. In der Ebene der Scheibe werden oft spiralförmige Äste beobachtet, die an relativ jungen hellen Leuchten im Überfluss vorhanden sind. Es gibt jedoch galaktische Scheiben ohne Spiralstruktur, auf denen es viel weniger solcher Sterne gibt.

Die zentrale Zone einer scheibenförmigen Galaxie kann von einem stellaren Balken geschnitten werden - einem Balken. Der Raum im Inneren der Scheibe ist mit einem Gas- und Staubmedium gefüllt - dem Ausgangsmaterial für neue Sterne und Planetensysteme. Die Galaxie hat zwei Scheiben: stellare und gasförmige.

Sie sind von einem galaktischen Halo umgeben - einer kugelförmigen Wolke aus verdünntem heißem Gas und dunkler Materie, die den Hauptbeitrag zur Gesamtmasse der Galaxie leistet. Der Halo enthält auch einzelne alte Sterne und Kugelsternhaufen (Kugelsternhaufen) bis zu 13 Milliarden Jahre alt. Im Zentrum fast jeder scheibenförmigen Galaxie, mit oder ohne Ausbuchtung, befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Die größten Galaxien dieses Typs enthalten jeweils 500 Milliarden Sterne.

Die Milchstrasse

Die Sonne dreht sich um das Zentrum einer ganz gewöhnlichen Spiralgalaxie, die 200-400 Milliarden Sterne umfasst. Sein Durchmesser beträgt ungefähr 28 Kiloparsec (etwas mehr als 90 Lichtjahre). Der Radius der solaren intragalaktischen Umlaufbahn beträgt 8,5 Kiloparsec (so dass unser Stern an den äußeren Rand der galaktischen Scheibe verschoben wird), die Zeit einer vollständigen Umdrehung um das Zentrum der Galaxie beträgt etwa 250 Millionen Jahre.

Die Ausbuchtung der Milchstraße hat eine elliptische Form und hat einen kürzlich entdeckten Balken. In der Mitte der Ausbuchtung befindet sich ein kompakter Kern, der mit Sternen unterschiedlichen Alters gefüllt ist – von mehreren Millionen Jahren bis zu einer Milliarde und älter. Im Inneren des Kerns, hinter dichten Staubwolken, liegt ein für galaktische Verhältnisse eher bescheidenes Schwarzes Loch - nur 3,7 Millionen Sonnenmassen.

Unsere Galaxie verfügt über eine Doppelsternscheibe. Die innere Scheibe, die vertikal nicht mehr als 500 Parsec hat, macht 95 % der Sterne in der Scheibenzone aus, einschließlich aller jungen hellen Sterne. Es ist von einer 1.500 Parsec dicken äußeren Scheibe umgeben, in der ältere Sterne leben. Die gasförmige (genauer gesagt Gas-Staub-) Scheibe der Milchstraße ist mindestens 3,5 Kiloparsec dick. Die vier Spiralarme der Scheibe sind Bereiche erhöhter Dichte des Gas-Staub-Mediums und enthalten die meisten der massereichsten Sterne.

Der Durchmesser des Halos der Milchstraße beträgt mindestens das Doppelte des Durchmessers der Scheibe. Ungefähr 150 Kugelsternhaufen wurden dort entdeckt, und wahrscheinlich sind ungefähr fünfzig weitere noch nicht entdeckt worden. Die ältesten Cluster sind über 13 Milliarden Jahre alt. Der Halo ist mit dunkler Materie mit einer klumpigen Struktur gefüllt.

Bis vor kurzem glaubte man, dass der Halo fast kugelförmig ist, aber nach neuesten Daten kann er deutlich abgeflacht werden. Die Gesamtmasse der Galaxie kann bis zu 3 Billionen Sonnenmassen betragen, wobei die Dunkle Materie 90-95% ausmacht. Die Masse der Sterne in der Milchstraße wird auf das 90-100-Milliarden-fache der Sonnenmasse geschätzt.

Eine elliptische Galaxie ist, wie der Name schon sagt, elliptisch. Es dreht sich nicht als Ganzes und hat daher keine axiale Symmetrie. Seine meist relativ massearmen und sehr alten Sterne kreisen in unterschiedlichen Ebenen und manchmal nicht einzeln, sondern in stark verlängerten Ketten um das galaktische Zentrum.

Neue Leuchten in elliptischen Galaxien leuchten aufgrund von Rohstoffknappheit selten auf - molekularem Wasserstoff.

Galaxien sind wie Menschen gruppiert. Unsere Lokale Gruppe umfasst die beiden größten Galaxien in der Umgebung von etwa 3 Megaparsec - die Milchstraße und Andromeda (M31), die Triangulum-Galaxie, sowie ihre Satelliten - die Große und die Kleine Magellansche Wolke, Zwerggalaxien in Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix und viele andere - insgesamt etwa fünfzig. Die lokale Gruppe wiederum ist Mitglied des lokalen Virgo-Superclusters.

Sowohl die größte als auch die kleinste Galaxie sind vom elliptischen Typ. Der Gesamtanteil seiner Vertreter an der galaktischen Bevölkerung des Universums beträgt nur etwa 20 %. Diese Galaxien (mit Ausnahme der kleinsten und schwächsten) verbergen auch supermassereiche Schwarze Löcher in ihren zentralen Zonen. Auch elliptische Galaxien haben Halos, aber nicht so klar wie scheibenförmige.

Alle anderen Galaxien gelten als irregulär. Sie enthalten viel Staub und Gas und produzieren aktiv junge Sterne. Es gibt nur wenige solcher Galaxien in mäßiger Entfernung von der Milchstraße, nur 3%.

Bei Objekten mit großer Rotverschiebung, deren Licht spätestens 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall emittiert wurde, nimmt ihr Anteil jedoch stark zu. Offenbar waren alle Sternsysteme der ersten Generation klein und hatten unregelmäßige Umrisse, und erst viel später entstanden große scheibenförmige und elliptische Galaxien.

Geburt von Galaxien

Galaxien wurden kurz nach Sternen geboren. Es wird angenommen, dass die ersten Leuchten spätestens 150 Millionen Jahre nach dem Urknall aufleuchteten. Im Januar 2011 berichtete ein Team von Astronomen, das Informationen des Hubble-Weltraumteleskops verarbeitete, über die wahrscheinliche Beobachtung einer Galaxie, deren Licht 480 Millionen Jahre nach dem Urknall ins All ging.

Im April entdeckte ein anderes Forscherteam eine Galaxie, die aller Wahrscheinlichkeit nach bereits vollständig ausgebildet war, als das junge Universum etwa 200 Millionen Jahre alt war.

Die Bedingungen für die Geburt von Sternen und Galaxien waren schon lange vor ihrer Entstehung gegeben. Als das Universum die 400.000-Jahres-Marke überschritten hatte, wurde das Plasma im Weltraum durch eine Mischung aus neutralem Helium und Wasserstoff ersetzt. Dieses Gas war noch zu heiß, um zu den Molekülwolken zu verschmelzen, aus denen Sterne entstehen.

Es grenzte jedoch an Teilchen aus dunkler Materie, die anfangs nicht ganz gleichmäßig im Raum verteilt waren – wo es etwas dichter ist, wo es verdünnter ist. Sie interagierten nicht mit dem baryonischen Gas und kollabierten daher unter der Wirkung gegenseitiger Anziehung frei in Zonen erhöhter Dichte.

Modellrechnungen zufolge bildeten sich innerhalb von hundert Millionen Jahren nach dem Urknall im Weltraum Wolken aus dunkler Materie von der Größe des heutigen Sonnensystems. Sie schlossen sich trotz der räumlichen Ausdehnung zu größeren Strukturen zusammen. So entstanden die Haufen von Dunkler Materie-Wolken und dann die Haufen dieser Haufen. Sie saugten Weltraumgas an, wodurch es sich verdicken und kollabieren konnte.

Auf diese Weise entstanden die ersten supermassiven Sterne, die schnell zu Supernovae explodierten und Schwarze Löcher hinterließen. Diese Explosionen reicherten den Weltraum mit Elementen an, die schwerer als Helium waren, was dazu beitrug, die kollabierenden Gaswolken abzukühlen und so das Auftreten weniger massereicher Sterne der zweiten Generation ermöglichte.

Solche Sterne könnten schon seit Milliarden von Jahren existieren und konnten daher (wieder mit Hilfe der Dunklen Materie) gravitativ gebundene Systeme bilden. So sind langlebige Galaxien entstanden, auch unsere.

„Viele Details der Galaktogenese sind noch im Nebel verborgen“, sagt John Kormendy. - Dies gilt insbesondere für die Rolle der Schwarzen Löcher. Ihre Massen reichen von Zehntausenden Sonnenmassen bis zum aktuellen absoluten Rekord von 6,6 Milliarden Sonnenmassen, die zu einem Schwarzen Loch aus dem Kern der elliptischen Galaxie M87 gehören, das sich 53,5 Millionen Lichtjahre von der Sonne entfernt befindet.

Löcher in den Zentren elliptischer Galaxien sind normalerweise von Ausbuchtungen aus alten Sternen umgeben. Spiralgalaxien haben möglicherweise überhaupt keine Ausbuchtungen oder haben ihre flachen Ähnlichkeiten, Pseudoausbuchtungen. Die Masse eines Schwarzen Lochs ist normalerweise drei Größenordnungen geringer als die Masse der Ausbuchtung – natürlich, wenn sie vorhanden ist. Dieses Muster wird durch Beobachtungen bestätigt, die Löcher mit einer Masse von einer Million bis zu einer Milliarde Sonnenmassen abdecken.

Laut Professor Kormendy gewinnen galaktische Schwarze Löcher auf zwei Arten an Masse. Das Loch, umgeben von einer vollwertigen Ausbuchtung, wächst aufgrund der Absorption von Gas, das aus der äußeren Zone der Galaxie in die Ausbuchtung gelangt. Bei der Verschmelzung von Galaxien nimmt die Intensität des Einströmens dieses Gases stark zu, was Ausbrüche von Quasaren auslöst.

Infolgedessen entwickeln sich Ausbuchtungen und Löcher parallel, was die Korrelation zwischen ihren Massen erklärt (jedoch können auch andere, noch unbekannte Mechanismen funktionieren).

Forscher der University of Pittsburgh, der UC Irvine und der Atlantic University of Florida haben die Kollision der Milchstraße mit dem Vorgänger der Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy (SagDEG) in Sagittarius modelliert.

Sie analysierten zwei Möglichkeiten für Kollisionen - mit einem einfachen (3x10¹⁰Sonnenmassen) und schwer (10¹¹ Sonnenmassen) SagDEG. Die Abbildung zeigt die Ergebnisse von 2,7 Milliarden Jahren Evolution der Milchstraße ohne Interaktion mit einer Zwerggalaxie und mit Interaktion mit der leichten und schweren Variante von SagDEG.

Glatzefreie Galaxien und Galaxien mit Pseudobulges sind eine andere Sache. Die Massen ihrer Löcher überschreiten normalerweise nicht 104-106 Sonnenmassen. Laut Professor Kormendy werden sie durch zufällige Prozesse in der Nähe des Lochs mit Gas gespeist und erstrecken sich nicht über die gesamte Galaxie. Ein solches Loch wächst unabhängig von der Entwicklung der Galaxie oder ihrer Pseudoausbuchtung, was die fehlende Korrelation zwischen ihren Massen erklärt.

Wachsende Galaxien

Galaxien können sowohl an Größe als auch an Masse zunehmen. „In der fernen Vergangenheit haben Galaxien dies viel effizienter gemacht als in jüngeren kosmologischen Epochen“, erklärt Garth Illingworth, Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of California in Santa Cruz. - Die Geburtsrate neuer Sterne wird anhand der jährlichen Produktion einer Einheitsmasse stellarer Materie (in dieser Eigenschaft die Masse der Sonne) pro Einheitsvolumen des Weltraums (normalerweise ein Kubik-Megaparsec) geschätzt.

Zum Zeitpunkt der Entstehung der ersten Galaxien war diese Zahl sehr klein und begann dann schnell zu wachsen, was anhielt, bis das Universum 2 Milliarden Jahre alt war. Für weitere 3 Milliarden Jahre war er relativ konstant, dann begann er fast proportional zur Zeit zu sinken, und dieser Rückgang hält bis heute an. Vor 7-8 Milliarden Jahren war die durchschnittliche Sternentstehungsrate also 10-20 mal höher als heute. Die meisten beobachtbaren Galaxien wurden in dieser fernen Epoche bereits vollständig gebildet."

Die Abbildung zeigt die Ergebnisse der Evolution zu verschiedenen Zeiten - die Anfangskonfiguration (a), nach 0, 9 (b), 1, 8 © und 2, 65 Milliarden Jahren (d). Modellrechnungen zufolge könnten sich die Balken- und Spiralarme der Milchstraße durch Kollisionen mit SagDEG gebildet haben, die zunächst bei 50-100 Milliarden Sonnenmassen anzog.

Zweimal passierte es die Scheibe unserer Galaxie und verlor einen Teil seiner Materie (sowohl gewöhnliche als auch dunkle), was zu Störungen seiner Struktur führte. Die aktuelle Masse von SagDEG überschreitet nicht mehrere zehn Millionen Sonnenmassen, und die nächste Kollision, die spätestens 100 Millionen Jahre später erwartet wird, wird höchstwahrscheinlich die letzte sein.

Generell ist dieser Trend verständlich. Galaxien wachsen hauptsächlich auf zwei Arten. Zunächst gewinnen sie frisches Starburst-Material, indem sie Gas- und Staubpartikel aus dem umgebenden Weltraum ansaugen. Für mehrere Milliarden Jahre nach dem Urknall funktionierte dieser Mechanismus einfach deshalb richtig, weil es im Weltraum genug stellares Rohmaterial für alle gab.

Dann, als die Reserven erschöpft waren, sank die Rate der Sterngeburten. Galaxien haben jedoch die Fähigkeit gefunden, sie durch Kollisionen und Verschmelzungen zu erhöhen. Damit diese Option realisiert werden kann, müssen die kollidierenden Galaxien zwar über eine angemessene Versorgung mit interstellarem Wasserstoff verfügen. Bei großen elliptischen Galaxien, wo es praktisch verschwunden ist, hilft das Verschmelzen nicht, aber bei scheibenförmigen und unregelmäßigen Galaxien funktioniert es.

Kollisions-Kurs

Mal sehen, was passiert, wenn zwei annähernd identische scheibenförmige Galaxien verschmelzen. Ihre Sterne kollidieren fast nie – die Abstände zwischen ihnen sind zu groß. Die Gasscheibe jeder Galaxie erfährt jedoch aufgrund der Schwerkraft ihrer Nachbarn Gezeitenkräfte. Die baryonische Materie der Scheibe verliert einen Teil des Drehimpulses und verschiebt sich ins Zentrum der Galaxie, wo Bedingungen für ein explosionsartiges Wachstum der Sternentstehungsrate entstehen.

Ein Teil dieser Substanz wird von Schwarzen Löchern absorbiert, die ebenfalls an Masse gewinnen. In der letzten Phase der Vereinigung der Galaxien verschmelzen Schwarze Löcher, und die Sternscheiben beider Galaxien verlieren ihre frühere Struktur und werden im Weltraum zerstreut. Als Ergebnis wird eine Ellipse aus einem Paar Spiralgalaxien gebildet. Aber das ist noch lange nicht das vollständige Bild. Die Strahlung junger heller Sterne kann einen Teil des Wasserstoffs aus der neugeborenen Galaxie blasen.

Gleichzeitig zwingt die aktive Anlagerung von Gas auf das Schwarze Loch dieses von Zeit zu Zeit dazu, Jets riesiger Energieteilchen in den Weltraum zu schießen, das Gas in der gesamten Galaxie zu erhitzen und so die Bildung neuer Sterne zu verhindern. Die Galaxie beruhigt sich allmählich – wahrscheinlich für immer.

Galaxien unterschiedlicher Größe kollidieren unterschiedlich. Eine große Galaxie ist in der Lage, eine Zwerggalaxie (auf einmal oder in mehreren Schritten) zu verschlingen und gleichzeitig ihre eigene Struktur zu erhalten. Dieser galaktische Kannibalismus kann auch die Sternentstehung anregen.

Die Zwerggalaxie wird vollständig zerstört und hinterlässt Sternenketten und Jets aus kosmischem Gas, die sowohl in unserer Galaxie als auch in der benachbarten Andromeda beobachtet werden. Wenn eine der kollidierenden Galaxien der anderen nicht allzu überlegen ist, sind noch interessantere Effekte möglich.

Warten auf das Superteleskop

Die galaktische Astronomie überlebte fast ein Jahrhundert. Sie hat praktisch bei Null angefangen und viel erreicht. Die Zahl der ungelösten Probleme ist jedoch sehr groß. Wissenschaftler erwarten viel vom James Webb Infrared Orbiting Telescope, das 2021 starten sollte.