Galaxien – Teil 2: Entstehung und Entwicklung

Nachdem ich in der ersten Folge meiner Galaxien-Serie eine kurze Einführung zum Thema Galaxien gegeben und das Prinzip dieser Serie vorgestellt habe, kommen wir heute zum Thema „Entstehung und Entwicklung von Galaxien“. Wie bereits erwähnt, ich stelle am Ende eines jeden Beitrages das nächste Thema vor und Ihr schickt mir eure Fragen und Hinweise dazu. An dieser Stelle möchte ich mich ganz herzlich bei euch für die vielen Emails und Einsendungen bedanken. Ich hoffe, alle eure Fragen beantworten zu können.

Wagenradgalaxie

Um eins gleich vorweg zu nehmen, wie der genaue Ablauf der Galaxienentstehung vonstatten geht, ist bislang noch unbekannt. Es gibt allerdings einige interessante Theorien und Modelle, von denen ich die wichtigsten hier vorstellen möchte.

Der im Augenblick plausibelste Ansatz fußt auf der gängigen Urknalltheorie und dem daraus resultierenden „Lambda-CDM-Modell“, auch kosmologisches Standardmodell genannt. Der Urknall soll vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit einer gewaltigen Explosion alles um uns herum auf den Weg gebracht haben. Es gibt zwar keine Möglichkeit, diese Hypothese hieb- und Stichfest nachzuweisen, doch wir haben dennoch die Möglichkeit, die Überreste dieses Ereignisses zu messen. Bereits in den 1940ern wurde von George Gamow, Ralph Alpher und Robert Herman eine das ganze Universum erfüllende isotrope Strahlung im Mikrowellenbereich vorhergesagt, welche kurz nach dem Urknall entstanden ist, genauer gesagt 380.000 Jahre nach dem Urknall. Mittlerweile können wir sie auch messen. Diese sogenannte kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung gilt als Hauptbeweis für das Urknall-Modell. Durch genauere Messungen jener Strahlung hat man herausgefunden, dass sie die Materieverteilung 380.000 Jahre nach dem Urknall wiedergibt. Damals war das Universum noch sehr homogen: Die Dichtefluktuationen lagen in der Größenordnung von 1 zu 10^5 (Bild 1).

Im Rahmen der Kosmologie kann das Anwachsen der Dichtefluktuation durch den sog. „Gravitationskollaps“ beschrieben werden. Darunter versteht man den Zusammensturz eines massereichen Sterns in seiner Endphase, wobei Dichte und Temperatur massiv ansteigen. An dieser Stelle kommen wir zu einer wichtigen Komponente, denn hier spielt vor allem die Dunkle Materie eine große Rolle, da sie gravitativ über die baryonische Materie dominiert. Unter dem Einfluss der Dunklen Materie wachsen die Dichtefluktuationen, bis sie zu dunklen Halos kollabieren, das sind Bereiche, die größer als Galaxien sind, und diese in sich „eingebettet“ haben. Bei „dunklen“ Halos verläuft es allerdings etwas anders. Dazu gleich. Bei diesem Prozess spielt nur die Gravitation eine Rolle und dieser Prozess kann heute mit großer Genauigkeit berechnet werden, zum Beispiel mit der Millennium-Simulation. Das Gas folgt der Verteilung der dunklen Materie, fällt in diese Halos, verdichtet sich und es kommt zur Bildung der Sterne. Die Galaxien beginnen sich zu bilden. Die eigentliche Galaxienbildung ist aber unverstanden, denn die gerade erzeugten Sterne beeinflussen das einfallende Gas (das sogenannte Feedback), was eine genauere Simulation schwierig macht (Bild 2).

WMAP5
Bild 1. Temperaturschwankungen der Hintergrundstrahlung in einem Bild vom Satellit WMAP. Bild: NASA
kosmisches Netz
Bild 2. Simulation des kosmischen Netzes aus dunkler Materie. Foto: physikclub.de

Ein weiterer Ansatz hat ebenfalls mit dunkler Materie zu tun. Computersimulationen sagen vorher, dass die allermeisten Atome im Universum auf Größenskalen von hunderten Millionen Lichtjahren und mehr eine Art Netzwerk aus Wasserstoffgas bilden, mit Filamenten, die an Knotenpunkten miteinander verbunden sind. Galaxien wie unsere Milchstraße entstehen in diesem Modell an genau solchen Knotenpunkten; Wasserstoffgas, das entlang der Filamente auf eine Galaxie fällt, ist eine wichtige Zutat für die Bildung neuer Sterne in solchen Galaxien. Direkt überprüfen ließ sich dieses Bild der großräumigen Struktur des Kosmos allerdings bislang nicht: Selbst an den dichtesten Knotenpunkten ist das Wasserstoffgas so extrem verdünnt, dass es kaum Licht von sich gibt und sich sogar mit den größten derzeit verfügbaren Teleskopen nicht nachweisen lässt. Allerdings wurde erst vor kurzem eine vielversprechende Entdeckung gemacht. Astronomen konnten erstmals ein direktes Bild eines Teilgebiets des kosmischen Netzwerks aufnehmen. Sie nutzten dabei den Umstand, dass so genannte Quasare wie kosmische Scheinwerfer wirken und nahegeliegene Gaswolken anstrahlen können. Das Kerngebiet einer Galaxie kann zwischenzeitlich zu einem Quasar werden, wenn Materie auf das zentrale, extrem massereiche Schwarze Loch der Galaxie fällt und dabei gewaltige Energien freisetzt. Die Wirtsgalaxie des Quasars sitzt – wie andere größere Galaxien auch – an einem der Knoten des kosmischen Netzwerks, und der Quasar kann dann die direkt umliegenden Gasfilamente anstrahlen (Bild 3).

kosmisches netz 1
Bild 3. © A. Klypin/J. Primack and S. Cantalupo
Computersimulation des kosmischen Netzwerks
Computersimulationen weisen auf die Existenz eines kosmischen Netzwerks aus Gasfilamenten auf Größenskalen von Millionen von Lichtjahren und mehr hin. Die Simulation im Hintergrund zeigt die Verteilung zwar nicht des Gases, aber von Dunkler Materie, die keinerlei Licht aussendet (Bolshoi-Simulation von Anatoly Klypin und Joel Primack). Diese Dunkle Materie bildet das Grundgerüst des kosmischen Netzwerks aus Gas. Das kleinere Bild zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt aus einem Teil des kosmischen Netzwerks. Der Durchmesser des Ausschnitts liegt bei zehn Millionen Lichtjahren; die entsprechende Simulation berücksichtigt zusätzlich zur Dunklen Materie auch das kosmische Gas (Simulation: S. Cantalupo). Die intensive Strahlung eines Quasars kann einen Teil des umgebenden kosmischen Netzwerks wie ein Scheinwerfer anstrahlen (dieser Teil ist im kleinen Bild hervorgehoben) und ein Filament des Gases zum Leuchten anregen.

Eine letzte Theorie sei hier noch kurz angeschnitten: In diesem Modell der Galaxienentstehung geht man davon aus, dass die ersten Gaswolken im frühen Universum sich durch Rotation zu Spiralgalaxien entwickelt haben. Elliptische Galaxien entstehen nach diesem Modell erst in einem zweiten Stadium durch die Kollision von Spiralgalaxien. Spiralgalaxien wiederum können nach dieser Vorstellung dadurch anwachsen, dass nahe (Zwerg-)Galaxien in ihre Scheibe stürzen und sich dort auflösen (Akkretion). Neueste Studien gehen davon aus, dass sich im Zentrum jeder Galaxie ein supermassereiches schwarzes Loch befindet,[5] das signifikant an der Entstehung der Galaxie beteiligt ist. So entstehen Galaxien aus riesigen Gaswolken (Wasserstoff), deren Zentren zu supermassereichen schwarzen Löchern kollabieren, diese wiederum heizen das umliegende Gas so weit auf, dass sich durch Verdichtung Sterne und letztendlich Planeten bilden. Die Größe der Galaxien und deren Zentren (supermassereiche schwarze Löcher) stehen in direktem Zusammenhang: je größer eine Galaxie, desto größer das Zentrum.

Wie sich Galaxien weiterentwickeln, wie sie Größe und Form ändern, lässt sich im Gegensatz zu den Entstehungstheorien immer wieder beobachten und so auch dementsprechend realitätsnah am Computer simulieren. Danach bildeten sich im frühen Kosmos unter dem Einfluss der Schwerkraft die ersten noch recht massearmen Proto-Galaxien. Nach und nach, so die Vorstellung, fügten sich diese Galaxienvorläufer durch Kollisionen zu ausgewachsenen Exemplaren wie unserer Milchstraße und noch größeren Galaxien zusammen. Die Relikte solcher Kollisionen zeigen sich in der Milchstraße noch heute als sogenannte Sternenströme. Das sind Gruppen von Sternen, deren gemeinsames Bewegungsmuster auf einen Ursprung außerhalb der Milchstraße weist. Sie werden kleineren Galaxien zugerechnet, die von der Milchstraße durch Gezeitenkräfte zerrissen und verschluckt wurden.

Doch auch heute noch kollidieren und verschmelzen Galaxien miteinander. Aktuelle Beispiele finden sich recht häufig, wie am Beispiel der „Mäuse“ (NGC 4676 A und B) -> Bild 4. Dieses Galaxienpaar ist etwa 300 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und kollidierte vor etwa 150 Millionen Jahren. Nach Beobachtungen des Paares werden die beiden in etwa 400 Millionen Jahren vollständig zu einer elliptischen Galaxie verschmelzen.

NGC4676
Bild 4: Die beiden Galaxien NGC 4676 A und B in der Phase der Verschmelzung. Foto: NASA

Ich hoffe, mit diesem Beitrag konnte ich eure wichtigsten Fragen klären und etwas Licht ins dunkle bringen. In der nächsten Folge geht es um die Galaxienformen, da ja nicht alle Galaxien gleich aussehen. Dieses Thema ist sehr umfangreich und tiefgreifend, doch auch unheimlich interessant. Bitte teilt mir also wieder mit, was euch besonders interessiert, was ihr schon mal gehört habt oder was ihr gerne nochmal erklärt haben möchtet. Ich freue mich auf eure Mails und Kommentare. Danke fürs zahlreiche Mitmachen.

Quellangabe:

arXiv:astro-ph/0302207, doi:10.1086/377253

D. Finley, D. Aguilar: Astronomers Get Closest Look Yet At Milky Way’s Mysterious Core

National Radio Astronomy Observatory

Über stellariumblog

Stellariumblog ist ein Info-und Newslog. Ich versuche, die oftmals komplizierte und unübersichtliche Fülle an Informationen und Wissen verständlich zu erklären. Mein Ziel ist es, mit diesem Blog so viele Menschen wie möglich von der Astronomie zu begeistern. Natürlich versuche ich, täglich die wichtigsten News aus den Bereichen Astronomie, Astrophysik und vergleichbaren Wissenschaften zu bloggen, ich bin allerdings Berufstätig und habe leider nicht jeden Tag ein bis zwei Stunden Zeit – seid also bitte etwas nachsichtig falls ich nicht immer alles als erster poste ;) Ich freue mich immer über positive Bewertungen, aber auch über konstruktive Kritik sowie Vorschläge und/oder Hinweise auf mögliche Fehler (ich bin auch nur ein Mensch). Ansonsten wünsche ich euch viel Spaß in meinem Blog.
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0 Antworten zu Galaxien – Teil 2: Entstehung und Entwicklung

  1. Gunter-von-Quast schreibt:

    Die von der Wissenschaft bisher anerkannten und von den Medien immer wieder aufs Neue verbreiteten Standardtheorien sind nicht in der Lage, die Entstehung der Galaxien im Universum logisch und physikalisch nachvollziehbar zu erklären. Andere logisch aufgebaute Theorien werden von der angloamerikanisch dominierten Wissenschaft ausgegrenzt. Es ist an der Zeit, zur Entwicklung der Galaxien neue, einheitliche und physikalisch nachvollziehbare Theorien einzubringen! Die Natur muss erklärbar bleiben, es gibt dort keine Wunder, sondern nur menschliche Unwissenheit. Die Natur ist nach einheitlichen physikalischen Regeln aufgebaut und war bereits weit vor den Menschen da.

    Ausgehend von der uralten Urknall-Theorie soll sich die Materie im gesamten Universum gleichzeitig entwickelt haben. Es wird physikalisch nirgendwo erklärt, wie sich die verschiedensten postulierten Elementarteilchen gebildet haben sollen und woraus diese bestehen. Ebenso ist nicht definiert wie sich aus diesen Elementarteilchen, Quarks, Gluonen, Bosonen und Higgs-Teilchen die für uns nachweisbaren Atome, insbesondere der Ausgangs-Elemente von Wasserstoff und Helium, entwickeln konnten. Aus diesen Gasen sollen sich schon in einem frühen Stadium nach dem Urknall komplette Sterne mit aktiven Fusionsprozessen von Wasserstoff- und Helium-Brennen selbständig entwickelt haben. Diese Sterne und die restlichen Gase aus Wasserstoff sollen sich über die Massenanziehungskraft und Akkretion zu den für uns sichtbaren fast unzähligen Galaxien entwickelt haben. Der Raum soll unter Mithilfe der bisher nicht nachweisbaren Dunklen Materie leergefegt worden sein. Alle Materie soll sich aus dem Raum um die supermassereichen Schwarzen Löcher in der Mitte der Galaxien gravitativ zusammen gezogen haben.

    Die verschiedenen kosmologischen Standardmodelle scheitern aufgrund der Theorie vom Urknall physikalisch gesehen an gravierenden Punkten:
    1. Alle Sterne müssten etwa das gleiche Alter haben, wenn die Materie gleichzeitig entstanden sein soll.
    2. Alle Galaxien müssten fast gleiche Formen, gleiches Alter und Größen in ihrem Aufbau zeigen.
    3. Die Galaxien müssten eher kugelförmig sein, denn die Gravitation wirkt im Raum kugelförmig. Die Galaxien sind aber in der Regel scheibenförmige, flache und rotierende Gebilde.
    4. Die Galaxien müssten sich von außen her hin zu dem Innen aufgebaut haben. Die ältesten Sterne müssten sich in der Nähe vom Zentrum befinden und die jüngeren Sterne in den äußeren Bereichen. Es ist aber das Gegenteil festgestellt worden, die ältesten Sterne befinden sich überwiegend in den äußeren Teilen der Galaxienschweife.
    5. Der filigrane Aufbau der Galaxien mit ihren allgemein zwei Hauptschweifen ist mit gravitativ wirkenden Kräften nicht erklärbar, auch nicht aus der postulierten chaotischen Kollision von vielen kleinen Galaxien hin zu den heute sichtbaren großen, fein strukturierten Galaxien-Systemen.
    6. Das in vielen Galaxien sichtbare zweistrahlige Balkensystem, enthält in allen Frequenzen stark strahlende Gase, bestehend aus den spektral nachgewiesen Elementen Wasserstoff, Deuterium, Helium und Lithium. Dieses System ist mit der Standard-Theorie nicht erklärbar, in der die Sterne von dem Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxien angezogen werden und im Nirwana untergehen sollen.
    7. Die nachgewiesene Gammastrahlung aus den Zentren der Galaxien ist ein Beweis für Fusionsvorgänge ohne Sternenbildung in diesen Bereichen. Das Standardmodell gibt dafür keine Erklärung.
    8. Die Ausbildung des Bulges aus fein verteilten Gasen, die starke Licht- und Röntgenstrahlung aussenden, ist mit der Standard-Theorie nicht erklärbar, wenn sich die Galaxien aus bereits vorgebildeten Sternen zusammengefunden haben sollen. Das Selbe gilt auch für die Existenz von weiträumig verteilten und Röntgenstrahlung emittierenden Materie-Schweife im Umfeld einiger Starburst-Galaxien.
    9. Die postulierte Dunkle Materie, die zur Erklärung der hohen Mitdreh- Geschwindigkeit der äußeren Teile der Galaxienarme erforderlich wäre, würde auch dafür sorgen, dass es innerhalb der Galaxien keine fein verteilten Staubwolken geben würde. Diese Materiewolken hätten sich unter Einwirkung der Dunklen Materie umgehend zu großen Materieeinheiten gravitativ zusammenballen müssen. Das ist aber sichtlich nicht der Fall, denn Galaxien sind durchsetzt von großräumigen, langlebigen Materiewolken aus überwiegend untergegangenen Sternen durch Kollision und Explosion.
    10. Es wird in den Standard-Theorien nichts darüber ausgesagt, wo eigentlich die energetische Strahlung, also die Energie im Universum bleibt, die von den Galaxien laufend abgestrahlt wird. Die Dunkle Energie wird nur dazu postuliert, um die festgestellte Expansion des beobachtbaren Universums zu belegen.
    11. Üblicher Weise haben die Materieansammlungen und Masseteilchen jedes für sich eine Bewegungsenergie in sich gespeichert und somit eine Eigengeschwindigkeit gegenüber anderen Massen, was der Gravitation entgegenwirkt. Nach dem Urknallmodell müsste diese Eigengeschwindigkeit sogar beinahe Lichtgeschwindigkeit betragen. Was soll diese postulierte Eigen-Geschwindigkeit der Materie abgebremst haben, damit die Gravitation zur Wirkung kommen kann?

    Die Kosmologie und Astrophysik sollte endlich zur Kenntnis nehmen, dass von der im Raum fein verteilter Materie, Staubwolken und weit voneinander entfernten Galaxien keine Massenanziehungskraft untereinander besteht. Die physikalische Ursache der Gravitation ist von der Wissenschaft bis heute noch nicht verstanden! Das Selbe gilt auch für die Kräfte, die den Zusammenhalt der Atome bewirken. Zur Erklärung der sichtbaren Tatsachen hilft die Einführung einer Dunklen Materie und Dunkler Energie oder zum Zusammenhalt der Atome und ihrer Masseneigenschaft durch das gefundene Higgs-Teilchen auch nicht viel weiter. Die Erklärungsmodelle nach den Standardtheorien sind in einer Sackgasse gelandet.

    Inzwischen gibt es weitere Theorien, die physikalisch nachvollziehbare Erklärungsmodelle zur Entstehung und Entwicklung der Galaxien bereit stellen. Dazu gehört unter anderem die Energiefeld-Theorie und als Erklärungsmodell zur Entstehung und Aufbau der baryonischen Materie die Nukleonen-Theorie. Insbesondere die hier genannten Widersprüche aus den Standard-Theorien werden mit den neuen Theorien einer physikalisch nachvollziehbaren Lösung näher gebracht.

    Günter von Quast

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