Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen

Vor der Erfindung des Fernrohrs waren den Astromen der Alten Welt außer der Milchstraße und gelegentlich auftretenden Kometen nur zwei Himmelsobjekte bekannt, die anscheinend nicht stellarer Natur waren: die Nebelflecken im Schwertgehänge des Orion und der Andromeda-Nebel. Der Blick durch immer leistungsfähigere Teleskope zeigte dann, dass es viele solcher Objekte gibt. Charles Messier stellte schon 1781 eine Liste von 103 derartigen Objekten zusammen. Mitte des 19. Jahrhunderts wurde dann klar, dass man bei den in dieser Liste verzeichneten Objekten zwei verschiedene Typen unterscheiden konnte: Gasnebel mit charakteristischen Emissionslinien und Spiralnebel, die ein Strahlungskontinuum mit Absorptionslinien zeigen. Eine Spiralstruktur hatte kurz zuvor William Rosse in dem Nebel M 51 entdeckt. Lange Zeit bestand über die Natur solcher Objekte Unklarheit. Noch 1920, in einer berühmten Debatte zwischen Harlow Shapley und Heber Curtis, konnte über diese Frage keine Einigkeit erzielt werden. Erst mit der Verfügbarkeit des 2,5-m-Spiegelteleskops auf dem Mount Wilson gelang es Edwin Hubble 1923, die Randbereiche des Andromeda-Nebels in Einzelsterne aufzulösen und die Spiralnebel als unserem Milchstraßensystem ähnliche extragalaktische Objekte zu identifizieren. Damit fand die seinerzeit sehr kühne Behauptung Immanuel Kants, es handle sich bei den Spiralnebeln um ungeheure Ansammlungen von Sternen jenseits der Milchstraße, ihre Bestätigung. Mit der Erkenntnis der wahren Natur der Spiralnebel machte die Astronomie einen Schritt in so gewaltige kosmische Dimensionen, dass im Vergleich mit ihnen der Kosmos des Altertums geradezu winzig wirken musste.

Die Hubble-Klassifikation

Die registrierten Galaxien, deren Zahl durch die ständige Verbesserung der Beobachtungsgeräte schnell wuchs, zeigten erstaunlich unterschiedliche Formen und Größen. Edwin Hubble entwickelte dafür eine im Wesentlichen auch heute noch gebräuchliche Klassifikation. Dabei unterschied er die Galaxien nur nach ihrer Form auf fotografischen Aufnahmen im blauen Licht und teilte sie in vier Klassen ein. Diese vier Klassen sind: Elliptische Galaxien (Bezeichnung E), Normale Spiralen (S), Balkenspiralen (SB) und Irreguläre Galaxien (Ir). Die ersten drei von ihnen werden weiter differenziert.

Elliptische Galaxien sind Systeme mit kreis- oder ellipsenförmigem Querschnitt, die keine weiteren räumlichen Strukturen erkennen lassen. Ihr Klassifikationsparameter ist die scheinbare Elliptizität, die sich auf den Aufnahmen direkt aus dem maximalen und minimalen Durchmesser ergibt. Der Typ wird dann als E0 (kreisförmig) bis E8 (stark ellipsoid) beschrieben. Die am stärksten elliptischen E8-Galaxien gehen stufenlos in die linsenförmigen S0-Galaxien über, die einen gemeinsamen Spezialfall der beiden Klassen von Spiralgalaxien darstellen.

Normale Spiralen sind Galaxien, die eine Spiralstruktur zeigen, bei der die Spiralarme tangential aus dem Kernbereich heraustreten. Der interne Klassifikationsparameter ist der Anstellwinkel der Spiralarme. Eng gewickelte Spiralen werden mit dem Buchstaben a bezeichnet, weiter geöffnete Spiralen mit b und c. Der große Andromeda-Nebel beispielsweise gehört zum Typ Sb.

Balkenspiralen sind Systeme, deren Kern nicht sphärisch symmetrisch, sondern zigarrenförmig lang gestreckt erscheint. Die Spiralarme setzen nahezu senkrecht an den Enden eines solchen Balkens an, folgen dann aber ebenfalls einer Sequenz verschiedener Anstellwinkel, die ebenfalls mit den Buchstaben a, b, c bezeichnet wird. Da bis heute nicht klar ist, ob die asymmetrische Verteilung der Sterndichten im Kern der Milchstraße als Balken angesehen werden kann, ist nicht sicher, ob wir Bewohner einer Sb- bis Sc- oder aber einer SBb- bis SBc-Galaxie sind.

Irreguläre Galaxien wie die beiden Magellan'schen Wolken am Südhimmel zeigen keine in das Schema der übrigen Galaxien passende Gestalt.

Verfeinerung der Klassifikation

Im Lauf der Zeit haben sich einige Verfeinerungen des Klassifikationsschemas als zweckmäßig erwiesen. So wird heute zwischen S0- und SB0-Typen unterschieden, da sich in manchen der linsenförmigen Systeme Balken identifizieren lassen. Außerdem zeigen manche Spiralgalaxien einen deutlichen Ring außerhalb des Kernbereichs, an dem dann die eigentlichen Spiralarme ansetzen. Sie werden von den Galaxien ohne Ring (Suffix n) durch das Suffix r unterschieden. überdies nimmt man heute an, dass es einen stetigen Übergang zwischen den Typen Sc und SBc und einem Teil der irregulären Systeme, Ir I, gibt. Die entsprechenden Übergangstypen werden mit Sd, Sm und Im bezeichnet - beziehungsweise mit SBd, SBm und IBm. Im Gegensatz hierzu stellen die irregulären Systeme Ir II einen isolierten Typ dar, ohne jede Verbindung mit andern Typen.

Galaxien mit einem besonders hellen, fast sternartigen Nucleus werden durch das Voranstellen eines N gekennzeichnet, während Elliptische Galaxien mit sehr flachem Helligkeitsabfall zum Rand hin als D-Galaxien oder, wenn sie besonders groß sind, als cD-Galaxien bezeichnet werden.

Auf der andern Seite der Größenskala wurden die Zwerg-Galaxien entdeckt, die zwar der Hubble-Klassifikation genügen, aber um Größenordnungen weniger Sterne enthalten und sehr viel lichtschwächer sind. Obwohl diese Galaxien, wie man aus entsprechenden Statistiken weiß, am häufigsten sind, sind wegen ihrer schlechten Beobachtbarkeit nur wenige von ihnen bekannt. Sie erhalten ein D vor der Hubble-Kennzeichnung (für englisch dwarf, Zwerg).

Für statistische Erhebungen über Galaxien, insbesondere Elliptische Galaxien, spielen Projektionseffekte eine große Rolle. Denn während Spiralgalaxien wegen ihres offensichtlichen Drehimpulses zweifelsfrei scheibenförmig und außerdem kreisförmig berandet sind, ihre Orientierung im Raum daher erkennbar ist, liefert jedes Ellipsoid in der Projektion eine elliptische Gestalt, auch rotationssymmetrische wie linsen- und zigarrenförmige. Eine ellipsenförmige Projektionsfigur wie die Aufsicht, in der wir eine Galaxie sehen, lässt daher nicht eindeutig auf die dreidimensionale Gestalt des projizierten Körpers schließen. Die tatsächlichen dreidimensionalen Gestalten der Galaxien scheinen alle überhaupt möglichen Formen von Ellipsoiden zu realisieren.

Stimmgabeldiagramm

Die Form der Darstellung, in der Hubble die einzelnen Galaxientypen anordnete und die nach ihr als Stimmgabeldiagramm bezeichnet wird, suggeriert eine Entwicklungssequenz der Galaxien. Eine solche wurde längere Zeit auch vermutet. Die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Galaxientypen, insbesondere ihre Massen und die Art ihrer Zusammensetzung aus verschiedenen Populationen, widersprechen jedoch jeder denkbaren Entwicklungsrichtung. Offenbar beinhaltet die Hubble-Sequenz im Wesentlichen eine Klassifikation nach dem Gesamtdrehimpuls. E-Galaxien zeigen einen geringen oder, bei stark abgeplatteten Systemen, mäßigen Drehimpuls, während er bei S-Systemen allgemein groß ist. Der Typ steht dabei in Beziehung mit der maximalen Umlaufgeschwindigkeit, die vom Typ S0 bis zum Typ Sb etwa konstant bleibt, um dann von 300 km/s bei den SBc-Typen auf unter 100 km/s bei den irregulären Systemen abzunehmen.

Unterschiede in der Zusammensetzung

Der Anteil von Objekten der Population I in den Galaxien entwickelt sich systematisch von E0 über S und SB bis zu Ir I. Zeigen die Elliptischen Galaxien noch keine oder nur wenige Anzeichen von Staub oder Sternentstehung - ihre hellsten Sterne sind in der Regel ältere Rote Riesen - , so steigt der Anteil der Staubscheibe und blauer OB-Riesen entlang der Hubble-Sequenz bis zu irregulären Systemen wie den Magellan'schen Wolken. Dennoch besitzen E-Galaxien etwa den gleichen Anteil an interstellarer Materie, die bei ihnen jedoch, als Plasma mit Temperaturen von etwa 10 Millionen Kelvin, keine Bildung neuer Sterne erlaubt.

Betrachtet man Einzelheiten innerhalb der Populationen, wie beispielsweise deren Metallhäufigkeit oder Metallizität und Kinematik, so bietet sich für die verschiedenen Galaxienklassen ein zunehmend verwirrendes Bild im Vergleich zum Anschein bei nur oberflächlicher Betrachtung. So zeigen E-Galaxien trotz des Fehlens von Sternentstehungsgebieten eine eher normale Metallhäufigkeit, die jedoch zu den elliptischen Zwergsystemen hin bis zur typisch metallarmen Halo-Population abnimmt. Sehr rätselhaft sind die blauen, kompakten Zwerggalaxien, die - trotz typischer Population I - in ihrer Gestalt alle Formen von Ir über SB bis zu E zeigen.

Der Halo aus Kugelsternhaufen, den E-Galaxien ebenso zeigen können wie Spiralen und irreguläre Systeme, variiert sowohl in der Metallizität - die Kugelsternhaufen im Andromeda-Nebel sind metallhaltiger als im Milchstraßensystem - als auch in der Kinematik. Die Kugelsternhaufen in den Magellan'schen Wolken haben weniger als ein Hundertstel des Alters der Kugelsternhaufen im Milchstraßensystem, und sie bewegen sich, entsprechend dieser Charakteristik der Population I, statt in einem kugelförmigen Halo in scheibenförmigen Untersystemen, die außerdem, je nach Alter der Haufen, unterschiedlich geneigt sein können.

Massenunterschiede

Auch die sichtbaren Massen der Galaxien, die im Wesentlichen den absoluten Helligkeiten entsprechen, streuen je nach Typ. Während bei den Elliptischen Galaxien der Unterschied zwischen den absolut hellsten und den schwächsten Zwergsystemen einem Faktor von etwa einer Million entspricht und die Massen dementsprechend etwa von 1014 bis 108 Sonnenmassen reichen, beträgt dieser Faktor bei den Spiralen nur etwa Tausend. Dabei reichen große Spiralsysteme wie das Milchstraßensystem und der Andromeda-Nebel mit etwa 1012 Sonnenmassen bei weitem nicht an die ungeheuren Ansammlungen von Massen in elliptischen oder gar cD-Galaxien heran. Anderseits sind die irregulären Systeme eher kleine Galaxien; sie stehen am unteren Ende der Massen- und Helligkeitsskala.

Modellrechnungen für die Dynamik kleiner Galaxienhaufen haben die Frage nach Entwicklungseffekten in der Typologie der Galaxien in neuer Form aufgeworfen: Eine Veränderung des Typs scheint bei der gravitativen Wechselwirkung zwischen Galaxien möglich zu sein.

Energiedichten

NGC 253; Typ ScWährend Sterne bezüglich ihrer Struktur und Entwicklung außer in engen Doppelsternsystemen nur sehr schwach von Wechselwirkungsprozessen mit ihrer Umgebung beeinflusst werden, sind Galaxien sehr viel enger in ihr Umfeld eingebunden und bezüglich ihrer Struktur und Geschichte kaum isoliert von den übergeordneten extragalaktischen Hierarchiestufen der Materieorganisation zu verstehen.

Die Ursache für diesen Unterschied liegt darin, dass Sterne relativ zu ihrem Umfeld wesentlich kompakter sind als Galaxien. Quantifizieren lässt sich diese Kompaktheit durch die Definition der Energiedichte. Damit ist hier derjenige Energieinhalt eines Volumelements bezeichnet, der für Energieumwandlungsprozesse unmittelbar zur Verfügung steht, also die kinetische Energie (inklusive thermischer) und die potentielle Energie sowie die elektromagnetische Feldenergie. Die in Form von Ruhemasse gespeicherte Kernenergie steht nur unter Fusionsbedingungen in den Sternen zur Verfügung und wird hier nicht berücksichtigt.

Objekte wie Sterne und Galaxien können generell durch ein Gleichgewicht zwischen der Gravitation als anziehender Kraft und verschiedenen Druckkräften als abstoßende Kräfte charakterisiert werden. Daher genügt es für eine Erörterung der Grenzordnungen, die Energiedichte der Gravitation als wesentlichen Anteil zu bestimmen. Aus einer Auflistung wird ersichtlich, dass Sterne mit 12 bis 24 Zehnerpotenzen Abstand ihrer Energiedichte zur Energiedichte des umgebenden interstellaren Mediums praktisch isolierte Objekte sind, während der intragalaktische Raum gegenüber dem extragalaktischen mit nur 6 Zehnerpotenzen höherer Energiedichte für störende externe Einflüsse wesentlich anfälliger ist.

Die Ursache für die unterschiedlichen Energiedichten von Sternen und Galaxien können aus der jeweiligen Mikrophysik verstanden werden. Sterne bestehen aus Atomen (oder, in ionisierter Form, einem Plasma), ohne jede weitere hierarchische Struktur der Materie. Die der Gravitation entgegenwirkenden Druckkräfte in den Sternen entstammen der kinetischen Energie der Atome. Diese Energie kann, wenn die Atome untereinander wechselwirken, ab einer kritischen Anregungsenergie der Atome in Strahlungsenergie umgewandelt und von der Oberfläche abgestrahlt werden. Die dem System so verloren gehende Energie wird aufgrund der mit der atomaren Wechselwirkung (bei ausreichenden Dichten) verbundenen Viskosität aus dem Innern des Sterns nachgeliefert, der auf diese Weise gekühlt wird. Die Kühlung des Sterns begünstigt seine Kontraktion unter Einwirkung der Gravitation so lange, bis die nukleare Energieproduktion einsetzt und den Kühlverlust ausgleicht.

Materiehierarchie

Galaxien bestehen aus Sternen als Hauptkomponente. Sie sind damit in ihrer Materie hierarchisch strukturiert. Das gilt auch für die in einzelnen Wolken organisierte interstellare Materie, die aber nur einen vernachlässigbaren Teil zur gesamten Energiedichte beiträgt. Fasst man eine Galaxie als ein Gas aus Sternen auf, die sich gegenseitig anziehen, so stellt die Zentrifugalkraft der stellaren Bahnbewegungen die Druckkraft dieses Gases dar. Da die gravitative Wechselwirkung zwischen den Sternen praktisch ohne Viskosität stattfindet, gibt es für dieses Gas aus Sternen keine Kühlung. Bezogen auf den jeweiligen Teilchenradius, ist die Teilchendichte des Modellgases aus Sternen um viele Größenordnungen kleiner als die des atomaren Gases in den Sternen. Enge Begegnungen für einen Energieaustausch zwischen je zwei Sternen sind somit nur sehr selten. Die Energieabstrahlung der Sterne, die in weniger aktiven Galaxien den größten Teil der Gesamtstrahlung ausmacht, beruht auf dem Verlust eines nur sehr kleinen Bruchteils der Sternmasse. Sie entzieht dem Gesamtsystem einer Galaxie nur sehr wenig kinetische Energie.

In der Nähe des Akkretionszentrums der Galaxien allerdings ist die Energiedichte so groß, dass Kühlprozesse möglich werden und die hierarchische Unterscheidung von den Sternen entfällt. Wir beobachten diese Kühlprozesse als Aktivitäten von Galaxienkernen.

Galaxiendynamik

Der wesentliche Unterschied zwischen elliptischen und Spiralgalaxien besteht in der Größe ihres Gesamtdrehimpulses. Bei elliptischen Systemen trägt die Rotation nur einen kleinen Teil zur inneren kinetischen Energie der Galaxie bei. Es gibt in ihnen verschiedene stabile Konfigurationen der Sternverteilung, die bei kleinem Gesamtdrehimpuls dreiachsig-ellipsoidische oder nahezu kugelförmige Gestalt haben, bei etwas größerem Drehimpuls können sie länglich (prolat) oder flach (oblat) sein. Bei Spiralgalaxien ist der Anteil der ungeordneten Bewegung an der kinetischen Energie deutlich kleiner als derjenige der Rotation. Folglich existieren nur rotationssymmetrische Scheiben oder - in den Zentralbereichen, die eher einem elliptischen Subsystem gleichen - balkenartige Formen. Die Bahnen der Sterne haben in ihnen vorwiegend die dem Gesamtdrehimpuls entsprechenden Kreisbahnen, die durch kleinere, irreguläre Komponenten gestört sind.

Modellrechnungen zur Dynamik der Galaxien zeigen, dass mit zunehmendem Gesamtdrehimpuls stabile Konfigurationen immer stärker von der Ausbildung eines ausgeprägten galaktischen Kerns sowie von Dichtefluktuationen abhängen. Das dürfte einer der Gründe für das Entstehen von Dichtewellen sein, die in der Ebene von Spiralgalaxien - als im Wesentlichen feste Muster aus Dichte- und Geschwindigkeits- unterschieden - in Rotationsrichtung der Sterne umlaufen. Das Muster rotiert dabei mit der konvexen Seite voran, wird im Allgemeinen aber von der umlaufenden Materie überholt. Daher liegen die Sternentstehungsgebiete und die jungen Sternhaufen, die sich nach der Kompression in der Welle bilden, in Rotationsrichtung vor der konvexen Front der Spiralarme.

Typische Zeitdauern

Die Entwicklung von Systemen wie Sternhaufen und Galaxien wird von zwei charakteristischen Zeitintervallen bestimmt: der dynamischen Zeit, die der typischen Zeit entspricht, die ein Stern braucht, um das System zu durchqueren, und der Relaxationszeit, nach deren Ablauf ein Stern seine dynamische Vergangenheit vergessen hat.

Die dynamische Zeit ist die Mindestdauer für den Austausch von Informationen zwischen verschiedenen Orten des Systems. Dazu gehört insbesondere die Verteilung der kinetischen und potentiellen Energie. Bei einer Störung des Gleichgewichts zwischen anziehenden (potentielle Energie) und abstoßenden Kräften (kinetische Energie) ist das dynamische Gleichgewicht und mit ihm eine zeitlich konstante Erscheinungsform nach Ablauf der zugehörigen dynamischen Zeit wiederhergestellt. Da Galaxien im Allgemeinen ein Alter von einigen zehn bis hundert haben, befinden sie sich gewöhnlich im dynamischen Gleichgewicht.

Die Relaxation ist eine Folge der - wie wir gesehen haben, sehr kleinen - inneren Reibung des Sterngases, die darauf beruht, dass die Bewegung eines Sterns relativ zur umgebenden Materie mit einem Bremseffekt verbunden ist, der als dynamische Reibung bezeichnet wird. Der Stern erzeugt im Graviationspotential des Hintergrunds, ähnlich einem Schnellboot im Wasser, eine Art Bugwelle, gegen die er ständig anlaufen muss und die ihn schließlich auf die Geschwindigkeit des umgebenden Mediums abbremst. Dieser Effekt bewirkt auf Dauer einen Ausgleich des dynamischen Unterschieds zwischen der Halo-Population mit ihren steilen Bahnen und der Scheibenpopulation mit ihrer nahezu geordneten Rotation.

Infolge der außerordentlich geringen Dichte des Sterngases sind die Relaxationszeiten der Galaxien je nach der Anzahl ihrer Sterne zehn bis hundertmal so groß wie das Alter des Universums; die dynamische Struktur der verschiedenen Populationen spiegelt somit die Entwicklungsgeschichte der Galaxien wider. Die wesentlich kleineren und dichteren Kugelhaufen sind bereits relaxiert und zeigen keine entwicklungsbedingten inneren Strukturen mehr.

Arp 317; Wechselwirkende Galaxien im Löwen, Aufnahme aus dem Stadtgebiet am 17.Mar 2004

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