Deep-Sky Einstieg - Kugelsternhaufen

Kugelsternhaufen sind jene Sorte Deep Sky Objekte, welche auch dem astronomischen Laien immer wieder Freudenrufe entlocken, wenn er sie in einem mittelgroßen Amateurteleskop bestaunen kann. Nicht ohne Grund, denn einige Standard- oder "Vorzeigekugelsternhaufen" am Nordhimmel wie etwa M13 oder M3 sind sehr auffällig und hell. Sie stehen dem Anblick einer gelungenen Fotografie oft kaum nach; das ist allerdings leider die Ausnahme.

Allgemeines

Bei Kugelsternhaufen handelt es sich um gravitativ gebundene Ansammlungen von an die 10.000 bis eine Million Sterne. Entsprechend der Kompaktheit und der Sternanzahl bewegen sich die Durchmesser zwischen 50 und 300 Lichtjahren. Kugelsternhaufen bewegen sich in einem Halo um die galaktische Scheibe, wobei die Umlaufbahnen um das Milchstrassenzentrum nicht unbedingt der Hauptdrehrichtung der Galaxie folgen.

Kugelsternhaufen durchstoßen bei ihrer Umkreisung des Milchstraßenkerns auch die galaktische Scheibe und sind dabei gravitativen Kräften ausgesetzt, die zu interessanten Effekten - meistens Verformungen - führen können. Einen Extremfall stellt der Kugelsternhaufen Palomar 5 dar; er hat beim Durchgang durch die galaktische Scheibe offenbar wiederholt eine Menge Sterne "verloren" und zieht sie nun in einem Lichtjahre langen Schweif hinter sich her.

Eine spektroskopische Untersuchung von Kugelsternhaufen hat gezeigt, dass die Häufigkeit von schweren Elementen deutlich unter der von Sternen in der galaktischen Scheibe liegt (wie zum Beispiel unserer Sonne). Daher nimmt man an, dass Kugelsternhaufen sehr alt sind und durch eine frühe Generation von Sternen gebildet wurden. Neuere Schätzungen liefern Altersangaben zwischen 14 und 16 Milliarden Jahren. Da die Altersbestimmung eine große Bedeutung für den unteren Grenzwert für das Alter des Universums hat, ist die Altersbestimmung seit Jahrzehnten Gegenstand lebhafter und kontinuierlicher Diskussionen.

Zu unserer Galaxie gehören um die 200 Kugelsternhaufen, von denen sich die meisten auf sehr exzentrischen Bahnen bewegen, die sie weit von der Milchstraße wegführen. Auch andere Galaxien besitzen natürlich einen Schwarm von Kugelsternhaufen, in einigen Fällen - beispielsweise bei M87 - konnten sogar einige tausend dieser Objekte nachgewiesen werden! Unser Nachbar M31 dürfte um die 450 Kugelsternhaufen besitzen.

Klassifikation

Die Konzentrationsklassen wurden erstmalig von Shapley und Sawyer zugewiesen. Kugelsternhaufen sind in 12 Klassen, basierend auf sinkender Konzentration der Kernregion eingeteilt. Kleinere Nummern geben größere Konzentrationen an. Karkoschka beschreibt das im "Atlas für Himmelsbeobachter" überblicksmäßig so: 1-4: Kern hell, klein, konzentriert, 5-8: mittelmäßig konzentriert, 9-12: gleichmäßig ohne erkennbaren Kern.

Die Klassifizierung ist nicht immer einfach. Ein typisches Beispiel hierfür ist M71, dessen Zugehörigkeit zu den Kugelsternhaufen immer noch ungewiss ist. Viele Astronomen hielten ihn für einen sehr dichten offenen Sternhaufen, vergleichbar mit M11. James Cuffey vom Kirkwood Observatory, hat beide Sternhaufenarten untersucht und fand heraus, dass M71 mehr einem lockeren Kugelsternhaufen gleicht; als er allerdings später ein Farben-Helligkeitsdiagramm aufnahm, wies dieses wiederum mehr Ähnlichkeiten mit dem eines offenen Sternhaufens auf. Andere Kriterien wie die Radialgeschwindigkeit und die Häufigkeit schwererer Elemente (Metallizität) halfen in diesem Fall ebensowenig: Der Wert der Radialgeschwindigkeit ist ausgesprochen ungenau, die Quellen variieren von einer Annäherung mit 80 km/sec bis zu 80 km/sec Fluchtgeschwindigkeit; der neueste Wert beträgt um die 23 km/sec Annäherung. Dieser Wert ist nicht sehr groß und mit beiden Sternhaufentypen konsistent. Das Rätselraten geht also weiter.

Wir haben natürlich die Möglichkeit einmal selbst nachzugucken - M71 ist einfach zu finden zwischen den Sternen Delta und Gamma im Sternbild Pfeil. Mit einer Helligkeit von 8,5mag sieht man ihn schon mit dem Fernglas, für eine Auflösung sind allerdings Teleskope ab 6 Zoll nötig. Aufgrund der geringen Konzentration kann M71 bei milchigem Himmel fast verschwinden - ein dunkler Standort ist gerade bei diesem Objekt von großem Vorteil.

Beobachtung

Die Beobachtung von Kugelsternhaufen beginnt mit dem Fernglas. Das Aussehen ähnelt meist einem kleinen Bällchen mit größerer Helligkeit zur Mitte. Betrachten wir den berühmten M13 im Herkules, so ist er bei gutem Himmel schon ohne Hilfsmittel zu erkennen - im 7x50 Fernglas präsentiert er sich als heller, kleiner verwaschener Fleck. Die Auflösung in Einzelsterne ist naturgemäß nicht möglich. Trotzdem sind auch die meisten Anfänger von der Helligkeit überrascht. Überhaupt sind die 19 von Messier verzeichneten Kugelsternhaufen alle mit einem guten Fernglas bei dunklem Himmel sichtbar - die sehr weit entfernten KS, wie M 54 im Schützen (80.000Lj) oder M 72 im Wassermann (60.000Lj) unterscheiden sich im Fernglas allerdings kaum mehr von einem Stern - nur mehr der Kern ist dann punktförmig zu sehen. M 54 ist übrigens ein sehr spezielles Objekt. Der KS gehört nicht unserer Milchstraße an, sondern einer Zwerggalaxie, die gerade von unserem Heimatsystem verschluckt wird.

Mit einem 3 Zoll Refraktor beginnen die Kugelsternhaufen ihre Formenvielfalt zu offenbaren. Was im Feldstecher oft noch als perfekt rund gesehen wird, zeigt im 3 Zöller Ecken und Kanten - die exakt runde Form wird seltener. Einige wenige Kugelsternhaufen beginnen einen graupeligen Halo zu zeigen - ein erster Ansatz zur Randauflösung.

Der 5 Zoll Refraktor löst die Randpartien der helleren KS schon recht schön in Einzelsterne auf und lockerere Kugelsternhaufen wie M10 oder M12 zeigen Einzelsterne bis ins Zentrum. Auch so manche Besonderheit, wie der zentrale Balken von M4 (Sco) kann erkannt werden. M4 war übrigens der einzige Kugelsternhaufen, in dem Messier Einzelsterne erkennen konnte. Der Grund ist die relative Nähe: Mit rund 7.000 Lichtjahren Entfernung ist M4 wahrscheinlich sogar der nächste Kugelsternhaufen überhaupt. Eine weitere Besonderheit von M4 ist der 1987 entdeckte erste Millisekundenpulsar; ein Neutronenstern der rund 300 mal pro Sekunde um seine eigene Achse rotiert.
Bei zunehmender Öffnung steigt der Detailreichtum und M13 ist mit 150mm Öffnung bereits bis ins Zentrum hinein aufzulösen. Viele Sternketten scheinen wie Tautropfen auf einem Spinnennetz verteilt zu sein. Wer diesen Höhepunkt einer sommerlichen Beobachtungsnacht jemals mit 200mm Öffnung oder mehr beobachtet hat, wird den beeindruckenden Anblick tausender Einzelsterne auf engstem Raum nicht mehr vergessen.

Leider sind nicht alle Kugelsternhaufen so einfache Objekte wie M13. Ein Beispiel für eine fotografische Aufnahme des Kugelsternhaufens NGC 2419 und zum Vergleich seine visuelle Erscheinung im typischen 4,5 Zoll Newton:

Enttäuschend? Vielleicht, aber dafür ist NGC 2419 der am weitesten von der Milchstraße entfernte Kugelsternhaufen, je nach Quelle gewaltige 200.000 bis 300.000 Lichtjahren weit weg. Er ist damit mindestens so weit entfernt wie die Magellanschen Wolken und könnte das Milchstraßensystem eventuell in Zukunft sogar ganz verlassen. Da er anders als die Magellanschen Wolken die Milchstraße nicht zu umkreisen scheint, sehen manche NGC 2419 schon jetzt als extragalaktisches Objekt an.

Eine besonders schöne Konstellation bilden die beiden Kugelsternhaufen M53 und NGC 5053. Beide befinden sich unweit des Sterns Alpha Comae und stehen am Himmel nur ein knappes Grad weit auseinander. Mit einer Entfernung von etwa 60.000 Lichjahren vom galaktischen Zentrum gehört M53 zu den weiter draußen liegenden Kugelsternhaufen. Er ist nur wenig weiter von unserem Sonnensystem entfernt. M53 ist ein absolut problemloses Objekt mit einem hellen Kern von etwa 2 Bogenminuten Durchmesser und einem flach abfallenden Helligkeitsprofil. Schon der 10x50 Feldstecher zeigt den Kugelsternhaufen deutlich, sogar unter Stadtbedingungen.

Nur ein Grad östlich entfernt liegt der viel schwächere und sehr lockere Kugelsternhaufen NGC 5053 - fast in der gleichen Entfernung wie M53 (55.000Lj); er enthält so wenige Sterne, dass die Klassifikation als Kugelsternhaufen lange Zeit unsicher war. Sir William Herschel entdeckte ihn 1784 und beschrieb ihn als "Very Compressed and Rich Cluster of Stars". NGC5053 ist ein schwierigerer Vertreter seiner Gattung: vier bis fünf Zoll Öffnung und ein sehr guter Himmel sind schon nötig. Im 20x100 Fernglas ist er aber machbar und bietet dann gemeinsam mit M53 einen wunderbaren Anblick. Die Auflösung ist für den Vierzöller leider unmöglich, weil die hellsten Einzelsterne nur 14-15mag erreichen und der Durchschnitt bei 16mag liegt. Damit brauchen wir etwa 10 Zoll, um Einzelsteren aufblitzen zu sehen. Selbst in großen Teleskopen gleicht NGC5053 aber eher einem offenen Haufen - er ist eben sehr massearm und die zentrale Verdichtung ist ungemein gering.

Kugelsternhaufen haben immer zwei Beobachtungskriterien, die nicht zu 100% Hand in Hand gehen: Die Gesamthelligkeit und die größte Helligkeit der hellsten Einzelsterne. Nachstehende Liste gibt darüber Auskunft. Interessanterweise stellt sich der beliebte M13 dabei gar nicht als der beste Kugelsternhaufen der nördlichen Hemisphäre dar. So ist ihm z.B. M22 in Flächen- und Einzelsternhelligkeit haushoch überlegen. M22 im Schützen ist jedoch schwieriger wegen der Horizontnähe. Hat man jemals das Glück einen wirklich transparenten Hochsommerhimmel zu erleben, sticht M22 den Herkules-Sternhaufen tatsächlich locker aus. Tipp: Kugelsternhaufen vertragen hohe Vergrößerungen - also wenn die Atmosphäre es zulässt - ruhig einmal an die Grenzen des eigenen Gerätes gehen.

Kleine Kugelsternhaufen-Liste

Fazit

Kugelsternhaufen sind beobachterisch anspruchsvolle Objekte und benötigen daher auch Beobachtungserfahrung. Allerdings macht natürlich genau das und dazu das Wissen um die Vielfalt und Besonderheiten dieser Objektgruppe im galaktischen Halo ihren Reiz aus. Wie das Beobachten offener Sternhaufen benötigt auch die visuelle Beobachtung von Kugelsternhaufen zunächst kein allzu aufwändiges Instrumentarium. Viele Kugelsternhaufen sah und fand ich zuerst in meinem 11x80 Fernglas und war von der Verschiedenartigkeit ihrer Erscheinung durchwegs fasziniert. Mittlere Beobachtungsbedingungen sind natürlich von großem Vorteil und fördern die Beobachtungsfreude ungemein. Will man die Vielfalt und den Formenreichtum der Kugelsternhaufen in ihrer ganzen Ästhetik erleben so ist man ab 6-8 Zoll Öffnung mit dabei.

Postscriptum - ein extragalaktischer Kugelsternhaufen

Noch zu Beginn der neunziger Jahre zählte die Beobachtung extragalaktischer Kugelsternhaufen zu den exotischten Zielen der Amateurastronomen. Dies hat sich geändert! Beobachtungen und Fotografien der M31-Kugelsternhaufen aus dem Amateurlager sind keine Seltenheit mehr. Unter den Kugelsternhaufen in Mü1 dürfte Mayall II (G1) der bekannteste Vertreter sein. Seine Helligkeit beträgt erstaunliche 13,5mag im visuellen - seine absolute Helligkeit liegt gut eine Größenklasse über dem hellsten Kugelhaufen unserer Heimatgalaxie. Er übertrifft dabei die Masse unseres galaktischen massereichsten Kugelsternhaufens O Centauri mindestens um den Faktor drei. Mayall II hat - je nach Messung - zwischen 7 und 17 Millionen Sonnenmassen!

Nun wurde weiter oben im Text bereits festgestellt, dass Kugelsternhaufen sich im Galaxien-Halo befinden. Man sollte daher meinen, dass sich ein extragalaktischer Kugelsternhaufen aus perspektivischen Gründen zwangsläufig in der Nähe seiner Muttergalaxie aufhält. Sucht man Mayall II auf, fällt indessen sofort seine isolierte Lage weit außerhalb der Andromedagalaxie auf. Mit 3° Distanz zum Zentrum ist seine Kerndistanz so groß wie bei keinem anderen der Kugelhaufen in M31. Diese 3° scheinbare Distanz zum Zentrum entsprechen etwa der Entfernung unserer Heimatgalaxie zu den Magellanschen Wolken.

Mayall II weist noch weitere Eigenheiten auf: Er ist für einen Kugelsternhaufen extrem elliptisch geformt. Es gibt nur wenige Kugelsternhaufen, deren Gestalt noch extremer in die "Länge" gezogen ist. Noch nicht genug der Seltsamkeiten? In klassischen alten Kugelsternhaufen ist die Metallizität (d.i. der Anteil von Elementen schwerer als Wasserstoff oder Helium) gering, da zu ihrer Entstehungszeit keine schwereren Elemente vorhanden waren. Mayall II weist aber eine recht große Spreizung der Metallizität auf. Die Sterne in diesem System sind offenbar nicht alle gleich alt - und das widerspricht der gängigen Meinung, dass Sterne in einem Kugelsternhaufen selben Alters sind. Gründe für diese Verteilung der Metallizität könnten eine Selbstanreicherung durch Sternkollision oder dunkle Materie sein, eine inhomogene Verteilung in der Protohaufenwolke oder - ein sehr interessanter Aspekt - die Zuordnung als Kugelsternhaufen ist falsch.

Dies könnte bedeuten, dass Mayall II gar kein Kugelsternhaufen ist, sondern vielmehr der Überrest bzw. Kern einer Zwerggalaxie, welche Massenanteile in ihrer Peripherie bereits an M 31 verloren hat. Diese Art von Kannibalismus ist nicht ungewöhnlich. So wird z.B. die Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxie (Sag DEG) derzeit von unserer Milchstraße "verspeist".

Zur Beobachtung: In der Amateurszene habe ich schon von Sichtungen mit 6 Zoll-Geräten gelesen. Ab 7 Zoll sollte man auf jeden Fall einmal einen Versuch wagen und mit einem 8 Zoll Spiegel ist er bei 100fach schon relativ einfach. Die Fotografie gestaltet sich besonders für CCD Kameras unkompliziert. Ab 7 Zoll ist schon der non-stellare Charakter erkennbar. Immer im Bild und zur Orientierung dienen zwei schwächere Vordergrundsterne unserer eigenen Galaxie, die mit Mayall II ein enges etwa gleichschenkeliges Dreieck bilden (Position (2000): RA 00:32:47 Dec +39:34.41).

Bleibt nur noch zu sagen, dass es mich sehr freuen würde, wenn ihr nun auf den Geschmack gekommen seid, euch einmal ins galaktische Halo zu begeben und diese einmalige Objektgruppe zu studieren - oder sogar einen extragalaktische Kugelsternhaufen zu beobachten, der vielleicht gar keiner ist...

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