Serie: 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“. Nachdem dieses Thema sehr umfangreich ist, bitte ich es im Vorfeld zu entschuldigen, wenn ich nicht 100%ig auf alle Details eingegangen bin. Verbesserungsvorschläge sind eindeutig erwünscht 🙂

Wagenradgalaxie
Foto: ESA/Hubble & NASA

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 einige 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. Ich freue mich auf eure Mails und Kommentare.

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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