Reif für die Welteninsel

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Dr. Ilka Petermann – Arizona State University, Tempe/USA

In der griechischen Mythologie war unsere Galaxis einer überraschten, den kleinen Herakles stillenden Hera geschuldet (griechisch ‚gala‘ für ‚Milch‘); für den Philosophen Immanuel Kant waren die anderen sichtbaren Galaxien noch ’neblige Sterne‘, Alexander von Humboldt nannte sie ‚Welteninseln‘. Und den Abenteuerlustigen, Einsamen, Urlaubsreifen oder (Hobby-)Astronomen von heute sei versichert: im All ist allerhand los: mit Hilfe der Ultra-Deep-Field-Aufnahmen des Hubble-Teleskops wird geschätzt, dass man von der Erde aus 50 Milliarden ‚Welteninseln‘ oder Galaxien beobachten kann, jede einzelne mit Milliarden bis Billionen von Sternen (Abb.1). Das sind dann sogar mehr Sterne im sichtbaren Universum als es Sandkörner auf der Erde gibt…

Abb.1: Reiseziele ohne Ende. Credit: 2MASS/ T. H. Jarrett/J. Carpenter/R. Hurt

 

Bei Sonnenaufgang war der Strand noch leer. Dann kamen die ersten Frühaufsteher mit Badetüchern und Bastmatten. Gefolgt von den Frühstückgesättigten, die ihre Klappstühle und Luftmatratzen gleich nebenan platzierten; den Sportlichen, die in der Nähe der Gleitschirm-Vermietung ihr Lager bezogen haben und den anders Athletischen, die sich eine Aktivität bei einem zweiten Getränk mit Schirmchen nochmal genauer überlegen. Etwas weiter weg die Gruppe, die sich die Liegestuhl-Vermietung ausgesucht hat und noch ein Stückchen weiter entfernt die Fraktion, die die nahtlose Bräune bevorzugt.

Und damit sind sich Urlauber und Galaxien gar nicht mal so unähnlich: Beide finden sich gerne in Grüppchen, Gruppen oder ganzen Strandabschnitten zusammen. Und dazu ist keine Schwarze Magie, sondern nur eine Menge Dunkler Materie nötig. Wie sich die ersten Galaxien nach dem Urknall formten, ist in den letzten Jahren mit stetig verfeinerten Beobachtungen und umfangreicheren theoretischen Modellen immer besser verstanden worden. Die ‚Millennium-Simulation‘ etwa, ein Großprojekt einer internationalen Forschergruppe, lieferte im Jahr 2005 nach einmonatiger Rechenzeit mit einem Supercomputer in Garching bei München einen ersten Satz, genauer gesagt 25 Terabyte, an Ergebnissen. Für die Simulation wurde ein ‚Mini-All‘ zusammengestellt, das aus einem virtuellen Würfel mit 2 Milliarden Lichtjahren Kantenlänge bestand und in dem Dunkle Materie-Teilchen solchen Dichteschwankungen unterworfen wurden, wie man sie aus Beobachtungen kennt. Das Programm berechnete dann die Bewegung eines jeden Teilchens aufgrund der Schwerkraft, wobei sich am Ende eben jene großräumigen Strukturen ergaben, die man heute mit der ‚Architektur‘ des Alls identifiziert: Filamente, Leerstellen, auch Voids genannt, und Galaxien, die sich in Galaxienhaufen und Superhaufen zusammenfinden (die normale sichtbare Materie wird von Dunkler Materie gravitativ eingefangen – in der Simulation wurde sie in einem zweiten Schritt in den entstandenen ‚3D-Dunkle-Materie-Schwamm‘ eingebracht und ihre Verteilung studiert. Essentieller Bestandteil der Simulation sind die Dichteschwankungen im All, die man seit dem Satelliten COBE (Cosmic Background Explorer) über die Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung kennt. Die Nachfolgemissionen von COBE (1989-1993, für die Verantwortlichen des Projekts – George Smoot und John Mather – gab es den Nobelpreis für Physik), WMAP (2001-2010) und Planck (2009-2013), lieferten immer feiner aufgelöste Abbildungen der kosmischen Dichteschwankungen.

Galaxien sind gravitativ gebundene Objekte aus aktiven und erloschenen Sternen, Gas, Staub und Dunkler Materie. Es gibt sie von ‚S‘ bis ‚XXXL‘, also von Zwerggalaxien mit mageren 108 Sternen bis zu den Riesengalaxien mit mehr als 1014 Sternen. Eingeteilt werden sie zumeist nach ihrer Morphologie in drei Kategorien, eine Klassifikation, die auf den US-Astronomen Edwin Hubble zurückgeht. Demnach unterscheidet man zwischen den elliptischen Galaxien, den (Balken-)Spiralgalaxien und den irregulären Galaxien. Erstere sind noch einmal in Bezug auf ihre Elliptizität unterteilt, von den fast runden ‚E0‘ Galaxien bis zu den langgestreckten Schwimmnudeln ‚E7′. Allen gemein ist, dass ihre Sterne regellos verteilte Orbits haben, die keinem übergeordneten Muster folgen. Eine Besucherrezension würde wahrscheinlich die Worte ’spartanisch‘ und ‚vintage‘ beinhalten, haben elliptische Galaxien doch zumeist kaum noch Gas und Staub, sodass wenige oder gar keine neuen Sterne mehr entstehen und alte Sterne dominieren. Allerdings gibt es viel Platz: die größten bekannten Galaxien sind Riesenellipsen wie etwa ‚IC 1101‘, deren Halblichtradius gut 150.000 Lichtjahre beträgt. Der Fachbegriff ‚Halblichtradius‘ oder effektiver Radius besagt, dass in diesem Radius die Hälfte der Leuchtkraft eines astronomischen Objekts emittiert wird. Untersuchungen gehen davon aus, dass elliptische Galaxien möglicherweise durch das Verschmelzen von Galaxien eines anderen Typs zustande kommen: den Spiral- und Balkenspiralgalaxien.

Diese zeichnen sich durch einen mittigen ‚dicken Bauch‘ (den ‚Bulge‘) aus und mehreren Spiralarmen, die von diesem ausgehen. Die Sterne folgen komplexen Orbits, die die Spiralstruktur über kosmische Zeiträume aufrechterhalten. In den Spiralarmen selbst gibt es einen hohen Anteil an Wasserstoff und Staub: hier entstehen neue, leuchtstarke Sterne wie T-Tauri-Sterne oder Herbig-Haro-Objekte. Die leuchtstärksten (und damit schwersten) Sterne unter ihnen sind auch die kurzlebigsten, sie bewegen sich von ihrem Geburtsort in den Spiralarmen nur wenig fort und lassen die Spiralstruktur damit stetig strahlen. Masseärmere Sterne haben mehr Zeit zum ‚Wandern‘ und wenn sie nach Jahrmilliarden an Leuchtkraft verloren haben, sind sie auch aus den Spiralarmen heraus gewandert und glimmen dann schwach in deren Zwischengebieten weiter. Zusammengefasst ist’s mit den Spiralgalaxien dann so: Hier geht’s zwar rund, aber dabei ist auch alles hübsch geordnet – wie Woodstock mit Sitzplätzen und Garderobe.

Bekannteste Vertreterin der Balken-Spiralgalaxien (vom Bulge gehen ‚Balken‘ aus, die als Spiralarme weiterverlaufen) ist sicher unser ‚Balkonien‘: unsere Heimatgalaxie Milchstraße (oder ‚Iringstraße‘ in der germanischen Sagenwelt, ‚Rückgrat der Nacht‘ für die Volksgruppe der San in Afrika oder die ‚Ich seh da nix‘ für all jene, die im lichtverschmutzten Mitteleuropa gen Himmel blicken), die sich wie ein milchiges Sternenband über den Himmel zieht. Ihre 100-300 Milliarden Sterne (schwere Kost für den Ego-/ Geo-/ Heliozentrisch veranlagten Homo Sapiens…) verteilen sich auf einen Durchmesser von 170.000-200.000 Lichtjahre bei einer Dicke von 3.000-16.000 Lichtjahren. Sie ist umgeben von einer ‚Seniorenresidenz‘ bzw. dem Halo, einem kugelförmigen Bereich, in dem sich hauptsächlich alte Sterne und alte Kugelsternhaufen befinden. Unsere kosmische Nachbarschaft können wir durch die relative ‚Nähe‘ zwar recht gut untersuchen, aber für das ‚Große und Ganze‘ gibt es ein Problem: wir sitzen mittendrin. Wir durchqueren zwar gerade ein relativ staubfreies Gebiet namens ‚Lokale Blase‘, doch das ändert nichts an der Tatsache, dass wir in einem undurchsichtigen Riesen-Bällebad sitzen, das wir nicht verlassen können und dessen Struktur wir damit nie ‚von außen‘ sehen werden (das am weitesten entfernte Objekt, das ‚Made on Earth‘ ist, ist die NASA-Raumsonde Voyager 1, die im Jahr 2018 gut 21 Milliarden Kilometer von uns entfernt und auch 41 Jahre nach ihrem Start noch sehr sendefreudig ist – doch im Vergleich zu den Ausmaßen der Milchstraße ist das immer noch ein eher kleines Schrittchen).

Abb.2: Ist das Foto denn auch gut geworden? Für den unzufriedenen Urlauber gibt’s den Fotofilter, für die undurchsichtige Milchstraße eine Vielzahl von Teleskopen, die über einen weiten Frequenzbereich unsere Galaxie von ihrer allerbesten Seite aufnehmen. Credit: NASA Goddard Space Flight Center

 

Doch es gibt einen Lichtblick, oder besser gesagt einen ‚Röntgenblick‘. Gas und Staub absorbieren zwar sichtbares Licht, kaum aber elektromagnetische Strahlung anderer Frequenzbereiche. Das erlaubt es, dass wir uns mit zahlreichen Weltraumteleskopen seit den 1950er Jahren ein ganz gutes Bild machen können (Abb.2): So beobachten zum Beispiel ROSAT (Röntgen Satellit) im Röntgenbereich, IRAS (Infrared AStronomical Satellite) und COBE (Cosmic Background Explorer) im Infrarotbereich, EUVE (Extreme Ultraviolet Explorer) im Ultravioletten, oder das CGRO (Compton Gamma-Ray Observatory) im Gammastrahlenspektrum. Das bodengebundene Teleskop-Feld ‚MeerKAT‘ in Südafrika ist eines der leistungsstärksten Teleskope, das Radioquellen untersuchen kann. So konnten Astronomen dann – Wellenlängen-Puzzleteilchen für Wellenlängen-Puzzleteilchen – zusammenfügen, wie ein entfernter Alien-Künstler die Struktur unserer Galaxie zeichnen würde.

Und an welchem ‚Strandabschnitt‘ findet man die Milchstraße? Sie gehört zur ‚Lokalen Gruppe‘, einem Galaxienhaufen von 5-8 Millionen Lichtjahren Durchmesser, der wiederum zum ‚Virgo-Superhaufen‘ (aus 100-200 Galaxienhaufen bestehend) gehört, der Teil des Supergalaxienclusters namens ‚Laniakea‘ (100.000 Galaxien-Mitglieder, Ausdehnung von 520 Millionen Lichtjahre) ist. Der Name ‚Laniakea‘ stammt dabei aus dem Hawaiischen und bedeutet so viel wie ‚unermesslicher Himmel‘ – was man in diesem Fall und in aller Bescheidenheit durchgehen lassen kann (Abb.3).

Abb.3: Unsere kosmische Nachbarschaft Credit: CWitte / https://bar.wikipedia.org/wiki/Datei:Lokale_Gruppe_3D_Nachbarschaft.svg

 

Wen es nun in die Ferne zieht, für den stehen – hypothetisch oder sehr optimistisch – zur ‚Welteninsel-Urlaubsplanung‘ eine Vielzahl von Katalogen zur Auswahl: Der Messier-Katalog etwa, erstmalig erschienen vor knapp 250 Jahren, listet 110 fixe astronomische Objekte auf, zumeist Galaxien, Nebel und Sternhaufen. Er ist auch heute noch von großem praktischem Nutzen in der Astronomie und war historischer Ausgangspunkt für die methodische Untersuchung von Galaxien. Hauptautor war der französische Astronom Charles Messier (mit Ergänzungen seines Kollegen Pierre Mechain), zehntes von zwölf Kindern mit früh einsetzender Begeisterung für Kometen, der bei seinen Beobachtungen auch zahlreiche nebulöse Objekte vor die Linse bekam. Die Beobachtung des ‚Krebsnebels‘, dem leuchtenden Überrest der Supernova aus dem Jahr 1054, war dann auch der Ausgangspunkt für die Aufstellung des Katalogs von Monsieur Messier und bekam entsprechend die Benennung ‚Messier 1‘ oder auch kurz ‚M1‘. Die erste Galaxie im Messier-Katalog ist übrigens unsere Nachbargalaxie Andromeda (M31) (Abb.4a).

Abb.4a: Die Prinzessin …: die uns am Nächsten gelegene Galaxie, die Andromedagalaxie, benannt nach einer Prinzessin der griechischen Mythologie. Aufnahme: Torben Hansen

 

Andere bekannte Kataloge sind zum Beispiel der ‚New General Catalogue‘, der in den 1880ern zusammengestellt wurde und 7840 Objekte enthält – zahlreiche davon gehen auf Beobachtungen von Wilhelm Herschel zurück. Viele der aufgelisteten Nebel, Galaxien und Sternhaufen sind auch mit kleineren Teleskopen gut zu erkennen, sodass der ‚NGC‘ nicht nur im wissenschaftlichen Gebrauch, sondern auch für Amateurastronomen eine große Bedeutung hat. Der Abell-Katalog (nach dem US-Astronomen George Abell) listet gut 4.000 Galaxienhaufen auf und der ‚Gaia Celestial Reference Frame 2‘ bringt es sogar auf beeindruckende 556.869 extragalaktische Objekte.

Wer hier die Qual der Wahl hat und auch kein eindeutiges Ergebnis beim TV-Magazin Quiz ‚Welcher Urlaubstyp sind Sie?‘ bekam, der könnte die Galaxien auch grob nach Interessengruppen sortieren: Für all jene, die sich zum Beispiel im Dunkeln etwas fürchten, könnten ‚Ultrakompakte Zwerggalaxien‘ genau richtig sein. Deren Durchmesser ist grob 200-fach kleiner als jener der Milchstraße, doch die Sternendichte kann bis zu 10.000-fach oder sogar millionenfach höher sein als die in der Nachbarschaft der Sonne (etwa vier Sterne pro 1000 Kubiklichtjahre). Die beiden Spitzenreiter ‚M59-UCD3‘ und ‚M85-HCC1‘ (die dichteste bekannte Galaxie) wären so sicher auch für Nachtschwärmer ein beeindruckender Anblick.

Wer dagegen ein schummriges Eremitendasein vorzieht, würde an der Galaxie ‚UDFy-38135539‘ sicher Gefallen finden. Deren Licht war 13.2 Milliarden Jahre zu uns unterwegs und im expandierenden Universum ist sie damit ganze 30.3 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt: Das ist Rekord! Entdeckt wurde das schwach leuchtende Scheibchen im Hubble Ultra Deep Field im Jahr 2009 und seine Entfernung über extrem aufwändige spektroskopische Analysen bestimmt: Da die Frühzeit des Universums von ausgedehnten Wasserstoffnebeln geprägt war, die das ultraviolette Licht der jungen Galaxien absorbierten, war eine über sechzehnstündige Beobachtungszeit nötig, gefolgt von einer zweimonatigen Auswertungszeit der Daten. Die Zusammenarbeit mehrerer Arbeitsgruppen für die langwierigen Datenauswertungen dürfte aber zumindest auf der Erde für eine gewisse Geselligkeit gesorgt haben.

Und apropos ‚gesellig‘: Der Ballermann unter den Galaxien sind wahrscheinlich die Quasare. Sie sind in einen weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums extrem leuchtstark, strahlen dabei über sehr lange Zeiträume (im Gegensatz etwa zu einer Supernova, die zwar auch leuchtstark, aber ein sehr kurzlebiges Phänomen ist) und viele Quasare sind dabei auch noch ‚radiolaut‘, sind also auch starke Emitter von Radiostrahlung. Ursache der ‚Party‘ sind supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum dieser Galaxien, die im Laufe der Zeit durch Akkretion an Masse zunehmen. Dadurch unterscheiden sie sich von Schwarzen Löchern wie ‚Sagittarius A‘ im Zentrum der Milchstraße, das zwar auch schwer, dabei aber recht ‚appetitlos‘ ist. Die einfallende Materie plumpst nun aber nicht einfach ins Schwarze Loch wie der Beschwipste in den Straßengraben. Stattdessen bildet sich durch die Drehimpulserhaltung eine ausgedehnte Akkretionsscheibe aus und die Materie nähert sich dem Schwarzen Loch in einer Art ‚Abwärtsspirale‘. In diesem Strudel heizt sich die Materie durch Reibung stark auf und emittiert dabei die für Quasare charakteristische Strahlung. Durch diesen Mechanismus erreichen die leuchtstärksten Quasare mehr als die 1014-fache Sonnenleuchtkraft und sind so noch trotz enormer Entfernungen als punktförmige Leuchtquelle zu erkennen. Als entferntester bekannter Quasar gilt heute ‚ULAS J1120+0641‘, der im Jahr 2011 mit dem VLT entdeckt wurde und dessen Party-Licht ganze 12.9 Milliarden Jahre zu uns unterwegs war.

Wer sich nach diesen quasaren Eskapaden nach etwas Dunkelheit sehnt, dem sei ‚Dragonfly 44′ empfohlen. Die ’sehr diffuse‘ Galaxie (Ultra Diffuse Galaxy) im Coma-Galaxienhaufen sollte nach Messungen ihrer Rotationsgeschwindigkeit eine Masse haben, die jener der Milchstraße ähnelt. Ihre Lichtemission jedoch zeichnet ein ganz anderes Bild: sie beträgt nur etwa 1% der Milchstraßen-Emission! Das lässt nur den Schluss zu, dass die Galaxie zu mehr als 99% aus der mysteriösen Dunklen Materie besteht. Die Libelle (engl. Dragonfly) könnte somit auch dabei helfen, die Natur der Dunklen Materie genauer zu ergründen, ist sich die Wissenschaft doch bis heute nicht einig, aus was sie denn besteht… oder ob sie überhaupt existiert und nicht ein ganz anderes Konzept die Rotationseigenschaften von Galaxien erklären kann.

Für den Ernährungsbewussten bieten sich Erbsen und Grüne Bohnen an. Erstere, die ‚Green Pea Galaxies‘ (Grüne Erbsen Galaxien), sind leuchtkräftige Zwerggalaxien mit – insbesondere für ihre eher geringe Masse – sehr hoher Sternentstehungsrate. Ihren Namen bekamen sie nach ihrem Aussehen auf den Abbildungen des ‚Sloan Digital Sky Survey‘, wo die kompakten, sphärischen Galaxien grünlich schimmern (Abb.4b). Sie zeichnen sich durch starke Emissionslinien um 500 nm, verursacht von ionisiertem Sauerstoff, aus. Die Emissionslinien entstehen durch elektronische Übergänge, die allerdings nur bei sehr geringen Dichten möglich sind.

Abb.4b: …und die Erbsen: ‚Grüne Erbsen‘-Galaxien, benannt nach ihrem rundem Erscheinungsbild und einem grünlichen Emissionslinien-Schimmer. Aufnahme: By Richard Nowell – Carolin Cardamone, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10522970n

 

Der Galaxientyp wurde erstmalig im Jahr 2007 im Rahmen des Freiwilligenprogramms ‚Galaxy Zoo‘ entdeckt. Mit ähnlicher Emissionsfarbe, aber langgestreckter, sind die extrem seltenen ‚Grüne Bohnen‘-Galaxien (green bean galaxies, z. B. SDSS J224024.1–092748), von denen man annimmt, dass es sich um Quasare handelt, bei denen man möglicherweise den Übergang von einer leuchtstärkeren zu einer leuchtschwächeren Phase beobachtet. Viel ist allerdings von diesen Objekten noch nicht bekannt, da Schätzungen davon ausgehen, dass es im Durchschnitt nur eine Grüne Bohne in einem Würfel mit einer Kantenlänge von 1.3 Milliarden Lichtjahren gibt (bei solch einer schwindelerregenden Zahl und zu viel Gemüse mag zum Ausgleich vielleicht eine Raucherpause einlegen: Messier 82, auch ‚Zigarrengalaxie‘ genannt).

Und falls jemand auf Urlaubsschnäppchen spekuliert: In der Pisces-I-Zwerggalaxie, einem Trabanten der Milchstraße, ist gerade ‚Wohnungsauflösung‘! Pisces-I ist eine sich im Zerfall befindende sehr leuchtschwache Zwerggalaxie, die 80 Kiloparsec von unserem Sonnensystem entfernt ist und sich mit einer Geschwindigkeit von 75 km/s auf die Sonne zubewegt. Allgemein bewegen sich zwar alle Galaxien voneinander fort (sie erscheinen also rotverschoben), doch innerhalb von Galaxiengruppen kann es lokal zu ‚Anzüglichkeiten‘ kommen. So bewegen sich etwa auch die Milchstraße und die Andromedagalaxie aufeinander zu (mit flotten 120 km/s), letztere erscheint demnach nicht rot- sondern blauverschoben. Simulationen (mit großen Unsicherheiten und vielen unbekannten Parametern) sagen eine Verschmelzung der beiden Galaxien in gut drei Milliarden Jahren voraus. Das Resultat wäre dabei vermutlich eine elliptische Riesengalaxie (400 Milliarden Sonnenmassen von uns plus 800 Milliarden Sonnenmassen von Andromeda), deren Entstehungsweg im Universum in den meisten Fällen durch ähnliche Fusionen erklärt wird. Als ‚Arbeitsname‘ für das Fusionsprodukt wurden von manchen Gruppen ‚Milkomeda‘ vorgeschlagen. Wer sich damit nicht so ganz anfreunden kann, hat aber noch ein paar Milliärdchen Jahre Zeit, über eine Alternative nachzugrübeln…

Und dann noch, wie so oft, ein winzig kleiner Haken ganz am Schluss. Denn für den Weltraum-Touristen bekommt der Begriff ‚Frühbucher‘ eine ganz neue Bedeutung, würde doch die Reiseplanung vermutlich nicht mehr einen selbst, sondern eher die Ur-ur-ur-ur-ur-ur-ur-usw-Enkel betreffen. Und so wie manchmal der Pool des Hotels vielleicht noch nicht ganz fertig gebaut ist, so ist eventuell auch das Planetensystem um den weit entfernten Stern in einer abgelegenen Galaxie noch nicht ganz aufgebaut… Doch man darf ja ein bisschen träumen: von fernen Welteninseln und – hoffentlich – nahen Urlaubstagen!