extragalaktische Sternsysteme: 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 handele 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 durch spezielle Parameter weiter differenziert.
Elliptische Galaxien sind Sternsysteme 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 Durchmesser (a) und dem minimalen (b) ergibt, zu N = 10·(a — b)/a; sie kann zwischen N = 0 (Kreisform, a = b) und N = 8 (für a : b ≈ 5) schwanken. Der Typ wird dann als EN bezeichnet, also E 0 bis E 8. Die am stärksten elliptischen E 8-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. Sehr 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 Galaxis 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« (Kern) 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 »Zwerggalaxien« 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.
In jüngster Zeit haben Modellrechnungen für die Dynamik kleiner Galaxienhaufen 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.
Aktivität in den Zentren der Galaxien
Bereits die Beschreibung der Vorgänge im Zentrum des Milchstraßensystems zeigt, dass man viele Prozesse auf der galaktischen Organisationsstufe der Materie nicht verstehen kann, wenn man die Galaxien nur als strukturierte Ansammlungen vieler Sterne auffasst. Zur Abgrenzung gegen andere, großenteils besser verstandene Prozesse werden diejenigen Prozesse von galaktischen Dimensionen, die im Allgemeinen mit der Abstrahlung ungeheuer großer, nicht als thermische Strahlung interpretierbarer Energiemengen verbunden sind, pauschal als Aktivität bezeichnet.
Eine einheitliche theoretische Beschreibung solcher Prozesse steht bislang noch in den Anfängen. Aus der Vielfalt der Erscheinungen schälten sich in den fünfzig Jahren, in denen aktive Galaxien erforscht wurden, einige Grundzüge heraus, die bei den verschiedenen Objekttypen durch unterschiedliche Geometrien, Energieproduktionsraten und Entwicklungseffekte charakterisiert sind.
Die für galaktische Aktivitäten typische nichtthermische Strahlung ist ihrem Ursprung nach hauptsächlich Synchrotronstrahlung. Diese Art von Strahlung entsteht, wenn sich geladene Teilchen — meist Elektronen — mit hoher Energie durch ein Magnetfeld bewegen. Vom Magnetfeld auf gekrümmte Bahnen gezwungen, senden sie aufgrund der damit verbundenen Beschleunigung eine intensive elektromagnetische Strahlung aus, die durch ihr charakteristisches kontinuierliches Spektrum identifiziert werden kann. Nach der Theorie der Synchrotronstrahlung können die Energien der Elektronen und die Stärken der Magnetfelder aus der spektralen Verteilung der Strahlung abgeschätzt werden. Da die Spektren der Synchrotronstrahlung Wellenlängen vom Radiokontinuum bis in den Röntgenbereich entsprechen und bereits im optischen Bereich Elektronenenergien im TeV-Bereich erforderlich sind (1 TeV = 1012 eV, tausend Milliarden Elektronvolt), werden in den Kernen aktiver Galaxien offenbar extrem hochenergetische Teilchen erzeugt. Sie sind die wichtigsten Quellen der kosmischen Strahlung.
Gigantische Strahlungsleistung
Die aus der Synchrotronstrahlung ermittelten Energien erreichen je nach Objekt bis zu 1055 Joule. Selbst mit Kernfusion als Energiequelle würde die gesamte in den 109 Sonnenmassen des Kerns vorhandene Ruhenergie nicht ausreichen, um solche Energien freizusetzen. Der einzige Prozess, der Ruhenergie mit einem Wirkungsgrad von etwa 50 % umsetzen kann, ist der gravitative Kollaps zu einem hochkompakten Objekt. Da die frei werdende Gravitationsenergie EG einer kugelförmigen Masseansammlung der Masse M mit dem Radius R, die bei einem Kollaps etwa zur Hälfte abgestrahlt werden kann, durch EG≈ G M2 / R gegeben ist, muss die Materie auf den Schwarzschild-Radius RS = G M / c2 komprimiert werden, damit EG≈ M c2 werden kann (G ist die Gravitationskonstante). Die Verdichtung von 100 Millionen Sonnen auf eine Kugel mit dem Radius 2 AE würde etwa die beobachteten Energiemengen freisetzen.
Die Strahlungsleistung oder Leuchtkraft, die bis zum 1014fachen der Leuchtkraft der Sonne reichen kann, muss durch eine entsprechend große Masse erklärbar sein, die pro Zeiteinheit zum Gravitationszentrum stürzt oder »akkretiert«. Aus der Akkretionsrate M ergibt sich die Leuchtkraft zu L = ε M c2. Bei einem Wirkungsgrad ε von etwa 0,1 ergeben sich aus den beobachteten Leuchtkräften je nach Objekt für die Akkretionsraten Werte etwa von einem Tausendstel einer Sonnenmasse bis zu hundert Sonnenmassen pro Jahr.
Direkte Messungen der Ausdehnung aktiver galaktischer Kerne sowie die Beobachtung der zeitlichen Veränderung der Strahlung zeigen, dass die Aktivitätsquellen tatsächlich äußerst kompakt sein müssen. Eine Strahlungsquelle kann nämlich nur in einem zeitlichen Rhythmus variieren, innerhalb dessen seine einzelnen Teile Informationen austauschen oder wechselwirken können; andernfalls würden sich die Variationen in den einzelnen Bereichen statistisch gegenseitig kompensieren. Während einer Variationsperiode muss eine entsprechende Information die Quelle mindestens einmal durchqueren können. Da aber die Geschwindigkeit für einen Informationsaustausch (Signalgeschwindigkeit) nicht größer sein kann als die Lichtgeschwindigkeit, werden durch die Variationsdauern Obergrenzen für die Quellendurchmesser festgelegt. Die nach dieser Methode bestimmten Größen, in der Ordnung einiger Astronomischer Einheiten, stimmen mit den zuvor aus energetischen Überlegungen abgeleiteten Werten überein.
Auch die Geometrie der Erscheinungen wird augenscheinlich weitgehend von den Vorgängen im Zentrum beherrscht. Derzeit besteht Übereinstimmung darüber, dass sich wegen des großen Drehimpulses der einströmenden Materie um das kompakte Zentralobjekt eine Akkretionsscheibe aus interstellarer Materie bildet, die sich infolge ihrer inneren Reibung spiralig formt. Wegen des extrem großen Strahlungs- und Gasdrucks, vor allem am innern Rand der Scheibe, kann nur ein kleiner Teil der Materie tatsächlich auf das Zentralobjekt fallen. Sein größter Teil wird parallel zur Rotationsachse abgelenkt und unter dem Einfluss starker Magnetfelder in Form sehr schneller und gut fokussierter Jets aus der Galaxie hinausgeschossen. Je nach Orientierung sowohl zur Rotationsachse der Galaxie als auch zur Beobachtungsrichtung erzeugen Jets unterschiedliche Geometrien in den Erscheinungen außerhalb der Kerne aktiver Galaxien.
Radiogalaxien
Galaxien, deren Strahlungsleistung im Radiobereich die thermische Gesamtstrahlungsleistung übertrifft, werden als Radiogalaxien bezeichnet. Die Hauptquelle solcher Strahlung ist die Materie, die aus dem Zentralbereich durch zwei entgegengesetzte Jets bis in Entfernungen von typischerweise einigen 100 Kiloparsec (bei der Radiogalaxie 3C 236 sogar 5,6 Megaparsec) geschleudert wurde. Je nach räumlicher Orientierung der Objekte zeigen sie in den Aufzeichnungen die charakteristische Hantelform, in deren Symmetriezentrum sich — oft wesentlich kleiner — die optische Galaxie befindet, oder Kopf-Schweif-Strukturen aus optischer Galaxie und Radioquelle oder aber die sphärische Anordnung einer Einfachquelle.
Die Jets zeigen zum Teil eine bislang nicht erklärbare Kollimation zu sehr schmalen, geradlinigen Strömen, die gelegentlich, durch die Rotation der Galaxie, auch s-förmig verbogen sind. Oft weisen sie knotenähnliche Strukturen auf, die auch im optischen oder im Röntgenbereich identifiziert werden können. Der größte Teil der Strahlung kommt aus den »heißen Flecken«, in denen die Materie des Jets vom interstellaren Medium gebremst und zu Blasen mit Durchmessern von 5 bis 20 Kiloparsec verdichtet wird, die außen ziemlich scharf begrenzt sind. Auch der Ursprung der Jets, in aller Regel mit dem Kern der optischen Muttergalaxie identisch, zeigt meist starke Radiostrahlung, aus einer nicht weiter auflösbaren Punktquelle.
Seyfert-Galaxien
Ungefähr ein Prozent der größeren Galaxien hat einen extrem hellen Kern, in dessen Spektrum auffällige, stark verbreiterte Emissionlinien vorhanden sind. Haben dabei die erlaubten Übergänge sehr viel breitere Linien als die verbotenen, so spricht man vom Seyfert I-Typ (Sy I), sonst vom Seyfert II-Typ (Sy II). Die Doppler-Verbreiterung der Linien entspricht Geschwindigkeiten von etwa 5000 km/s beziehungsweise 500 km/s.
Die Linienverbreiterung und das Auftreten sehr hoher Ionisationsstufen, wie zum Beispiel Fe XIV (13fach ionisiertes Eisen), legen nahe, dass hier ein sehr intensiver Fluss von nichtthermischer UV-Strahlung ein umgebendes dünnes Gas ionisiert. Die unterschiedlichen Linienbreiten können prinzipiell durch eine wolkige Struktur unterschiedlicher Elektronendichten bei komplexem kinematischen Verhalten erklärt werden. Überdies werden auffällige Variationen der Leuchtkraft bis zu einem Faktor zwei bei Zeitspannen von Monaten oder Jahren beobachtet.
Seyfert-Galaxien sind entweder keine Radiogalaxien oder aber nur sehr schwache mit sehr viel kleineren oder kugelförmigen Gebieten mit Radioemission. Ihr nichtthermisches Strahlungskontinuum reicht über den optischen Bereich bis tief in den Röntgenbereich hinein — ein Indiz für die Existenz von Elektronen oder schwereren Teilchen mit Energien bis 100 TeV. Ein stärkerer Anteil von thermischer Strahlung im Infraroten deutet auf hohe Sternentstehungsraten hin. Seyfert II-Galaxien sind im Röntgenbereich schwächer, aber im Infrarot- und Radiobereich heller, was auf im Mittel niedrigere Energien der Synchrotronelektronen schließen lässt.
Das Seyfert-Phänomen scheint ein Stadium erhöhter Aktivität zu sein, das die meisten Galaxien von Zeit zu Zeit durchlaufen. Dabei werden Akkretionsraten bis zu einem Zehntel der Sonnenmasse pro Jahr erreicht, also das Hundert- bis Tausendfache des entsprechenden Werts einer »inaktiven« Galaxie. Das Auftreten von ausgedehnter Radiostrahlung dürfte dann eine Spätfolge solcher Aktivitäten sein. Aus der Kinematik und aus der Theorie der Synchrotronstrahlung lässt sich abschätzen, dass die Radiostrahlung typischerweise eine Lebensdauer von einer Million Jahre hat.
QSO
Quasistellare Objekte oder kurz QSO, früher als Quasare bezeichnet, sind Galaxien an der Obergrenze der überhaupt möglichen Energieproduktion. Die Strahlungsleistung ihres äußerst kompakten Kerns übertrifft jene der restlichen Galaxie so sehr, dass man, bevor die zugehörigen, sehr lichtschwachen Muttergalaxien entdeckt wurden, die QSO für sternartig hielt. Heftige Diskussionen löste die erste Identifikation von Linien in QSO-Spektren aus, die gegenüber den entsprechenden Wellenlängen λ im Labor eine Rotverschiebung um z = δλ/λ≈ 0,2 und mehr zeigten. Dieser große Wert schien nur als kosmologische Rotverschiebung aufgrund entsprechend großer Entfernungen der QSO erklärbar zu sein. Solch große Entfernungen erfordern aber gigantische Energiefrei-setzungen der QSO, wenn die von diesen ausgehende Strahlung auf der Erde nachweisbar sein soll. Weil Energiefreisetzungen in dieser Größenordnung kaum vorstellbar schienen, wurde eine Zeit lang nach andern möglichen Ursachen der großen Rotverschiebung gesucht, um die QSO als vergleichsweise nahe Objekte auffassen zu können.
QSO haben stets ein sternartiges optisches Bild. Bei näheren Objekten mit einer Rotverschiebung von z < 0,5 erscheint dieses in eine sehr schwache Muttergalaxie eingebettet. Die breiten Emissionslinien in dem blauen kontinuierlichen Spektrum der QSO zeigen erhebliche Rotverschiebungen von z = 0,1 bis zu z = 5, meist jedoch um etwa z = 2. Obwohl die scheinbaren Helligkeiten gering sind — maximal mv = 12,8 bei 3C 273 — entsprechen sie Leuchtkräften an der oberen Grenze des physikalisch Denkbaren, nämlich bis zu der 1014fachen Leuchtkraft der Sonne. Das erfordert jährliche Akkretionsraten von bis zu hundert Sonnenmassen. Daher kann das QSO-Stadium nicht sehr langlebig sein, denn bereits nach hundert Millionen Jahren wäre die Gesamtmasse einer typischen Galaxie auf ihr Zentrum eingestürzt.
Ähnlich wie Seyfert I-Galaxien emittieren QSO starke Röntgenstrahlung sowie erhöhte Intensitäten im Infraroten, was auch hier auf hohe Sternentstehungsraten schließen lässt. Desgleichen treten auch hier zeitliche Variationen auf, deren Perioden bis zu einigen Tagen herunterreichen können. Die Radioemission vieler QSO ist zwar nur sehr gering, doch beobachtet man bei manchen auch die für Radiogalaxien typische Hantelform und das Vorhandensein von Jets.
Interessant sind die QSO auch durch die Auswirkung extrem relativistischer Effekte. So wurden einige Mehrfach-QSO gefunden, die sich später als verschiedene Bilder einer einzigen Quelle herausstellten. Die Aufspaltung in mehrere Bilder wird durch eine Galaxie verursacht, die sich in größerer Nähe zu uns befindet und deren Gravitationsfeld die Lichtstrahlen so beugt, dass Mehrfachbilder entstehen. Solche »Gravitationslinsen« können auch Laufzeitunterschiede in der Größenordnung von Jahren zwischen den einzelnen Bildern verursachen. Die dadurch bedingte Phasenverschiebung zeitlicher Variationen — die wegen der Größe der Laufzeitdifferenzen allerdings sehr schwierig zu registrieren ist — ermöglicht prinzipiell die Entfernungsbestimmung für QSO unabhängig vom Doppler-Effekt und der Hubble-Expansion.
Auch folgender Effekt bei den QSO ist interessant: Die Veränderung der Winkelabstände von Punktquellen, die mit hochauflösenden Methoden der Radioastronomie gemessen werden können, scheint in manchen Fällen mit Überlichtgeschwindigkeit zu geschehen. Solche scheinbaren Überlichtgeschwindigkeiten lassen sich jedoch leicht erklären: Kommt uns eine Quelle mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in einem kleinen Winkel zum Sehstrahl entgegen, so erreichen uns Signale aus unterschiedlichen Positionen in sehr viel kürzeren Abständen, als sie ausgesendet wurden. Sie suggerieren so eine überhöhte transversale Geschwindigkeit. Auf einem relativistischen Effekt beruht es, dass bei vielen QSO (und auch bei Radiogalaxien: Kopf-Schweif-Strukturen) der von uns weggerichtete Strahl nicht beobachtet wird. Durch die extreme Blauverschiebung des auf uns gerichteten Strahls wird dessen Intensität um 8γ3 verstärkt, während ein von uns weg gerichteter Strahl um denselben Faktor geschwächt erscheint (γ = Eel /m0 c2). Da die Energie Eel der relativistischen Elektronen der Jets in der Größenordnung von einige TeV ihre Ruhenergie m0 c2 = 0,511 MeV um vier Größenordnungen übersteigt, unterscheiden sich die beobachteten Intensitäten der entgegengesetzten Jets um rund 14 Zehnerpotenzen.
Energiedichten
Während 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 potenzielle Energie sowie die elektromagnetische Feldenergie. Die in Form von Ruhmasse 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 Größenordnungen, 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 Geschwindigkeitsunterschieden — 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 τcr, die der typischen Zeit entspricht, die ein Stern braucht, um das System zu durchqueren, und der Relaxationszeit τrel, 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 potenziellen Energie. Bei einer Störung des Gleichgewichts zwischen anziehenden (potenzielle 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 τcr 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 Graviationspotenzial 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.
Die dunkle Materie
Aus dem Gleichgewicht zwischen Zentrifugal- und Anziehungskraft kann sehr einfach und zuverlässig auf die Massen der Galaxien geschlossen werden. Die dafür benötigten mittleren Umlaufgeschwindigkeiten in den Galaxien lassen sich durch Vermessen der Spektren gewinnen, die von Gebieten in verschiedenen Abständen vom Galaxienzentrum aufgezeichnet wurden. Aus Richtung und Größe der Doppler-Verschiebung der Spektrallinien lässt sich die Größe der Umlaufgeschwindigkeiten ableiten. Wenn man diese in Abhängigkeit vom Abstand zum Galaxienzentrum aufträgt, erhält man die »Rotationskurve« der jeweiligen Galaxie.
Da entlang jeder Sternbahn die aus der Bahngeschwindigkeit folgende Zentrifugalbeschleunigung gleich der auf den Stern wirkenden Gravitationsbeschleunigung ist, kann aus der mittleren Umlaufgeschwindigkeit v bei Annahme einer Kugelsymmetrie der Masseverteilung auf die Größe der Masse M geschlossen werden, die sich innerhalb der Umlaufbahn mit dem Radius R befindet. Der Zusammenhang zwischen diesen Größen ist M ≈v2R / G, wobei G die Gravitationskonstante ist. Unter Anwendung dieser Beziehung lässt sich aus der Rotationskurve einer Galaxie die von einer Umlaufbahn jeweils eingeschlossene Masse ermitteln. Die Rotationskurve einer Galaxie gibt also deren radiale Masseverteilung wieder. Anderseits ist bei Sternen im Allgemeinen die Beziehung zwischen Masse und Leuchtkraft bekannt, sodass sich auch aus der Gesamtleuchtkraft einer Galaxie und einer Analyse ihrer Populationen die stellare Gesamtmasse berechnen lässt.
Während nun für den Innenbereich der Galaxien diese beiden Arten der Massebestimmung zu etwa gleichen Ergebnissen führen, die nichtstellare Komponente der Galaxien hier also nur sehr wenig zur Massedichte beiträgt, lässt sich bei den meisten Galaxien in der über die Rotationskurve dynamisch bestimmten Masseverteilung keine äußere Begrenzung ausmachen. Die Rotationskurven verlaufen weiter nach außen hin praktisch konstant, obwohl aus der Verteilung der leuchtenden Masse zu erwarten wäre, dass die Bahngeschwindigkeiten außerhalb des sichtbaren Rands der Galaxien nach dem dritten Kepler'schen Gesetz abnehmen. Dieser Widerspruch lässt sich nur lösen, wenn man außerhalb des sichtbaren Teils der Galaxien dunkle Halo-Komponenten annimmt, die bis zum Zehnfachen der sichtbaren Masse zur Gesamtmasse beitragen.
Auf die gleiche Weise kann auch für Galaxienhaufen die sichtbare mit der dynamisch bestimmten Masse verglichen werden, wobei die ungeordnete kinetische Energie — die Geschwindigkeitsdispersion der Galaxien — der irregulären Bahnbewegung einzelner Galaxien zugrunde gelegt wird. Auf dieser Hierarchiestufe der kosmischen Materiestrukturen verschärft sich das Problem der fehlenden Masse um eine ganze Größenordnung. In Galaxienhaufen übersteigt die nicht sichtbare Materie die leuchtende um das bis zu Hundertfache.
Bislang gibt es keine schlüssige Erklärung für Art und Herkunft dieser nicht sichtbaren oder »fehlenden« Materie. Als mögliche Erscheinungsformen sind neben kalter Materie wie in Braunen Zwergen hauptsächlich primordiale, das heißt in den Anfängen des Universums entstandene Schwarze Löcher, oder »exotische« Materie wie Neutrinos und andere Elementarteilchen vermutet worden.
Entstehung der Galaxien
Ein für die Kosmologie wichtiges Problem ist die Entstehung der Galaxien, also derjenigen Hierarchiestufe, auf der die Evolution der Materie stattfindet. Einerseits wissen wir, dass zur Zeit der Bildung neutraler Wasserstoffatome aus Protonen und Elektronen — etwa eine Million Jahre nach dem Urknall — die Materie gleichmäßig im Weltall verteilt gewesen sein muss. Die mit der Bildung der Wasserstoffatome verbundene Strahlung, die Rekombinationsstrahlung, hat sich seit jener Zeit bis heute im Universum ausgebreitet und durch die Expansion des Kosmos auf eine Strahlungstemperatur von 2,7 Kelvin abgekühlt. Sie wird heute als 3K-Strahlung beobachtet. Anderseits beobachten wir heute eine ausgeprägte Strukturierung der sichtbaren Materie in Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen, mit einem Dichteunterschied von mindestens sechs Zehnerpotenzen. Als Ursache dieser Inhomogenitäten kommt nur die Konkurrenz zwischen großräumiger kosmischer Expansion und lokaler Eigengravitation infrage, da keine andere Wechselwirkung die dafür notwendige Reichweite hat.
Als man in numerischen Simulationen der kosmischen Expansion zunächst von statistisch verteilten präexistierenden Galaxien ausging, zeigte sich in der Entwicklung von Galaxienhaufen ein grundsätzliches Problem. Betrachtet man nämlich deren Relaxationszeiten, so zeigt sich, dass — im Gegensatz zu den Galaxien selbst — zumindest kleinere Galaxienhaufen sehr kurzlebige Gebilde sind. Galaxien erfahren wegen ihrer relativ großen Ausdehnung innerhalb eines Haufens häufig enge Begegnungen, die zu einer raschen Umwandlung von kinetischer in potenzielle Energie führen. Als Konsequenz verlieren die Galaxien ihren Halo zugunsten eines intergalaktischen Materiehintergrunds. Der Haufen kontrahiert sodann, und in seinem Zentrum entsteht eine Art galaktisches Monster, das nach und nach die übrigen Galaxien verschlingt. Tatsächlich lässt sich eine Reihe kleinerer Galaxienhaufen beobachten, in deren Zentrum eine außergewöhnlich ausgedehnte Riesengalaxie vom Typ cD zu finden ist. Zum Teil weisen sie sogar mehrere galaktische Zentren auf und entsprechen damit durchaus dem Bild der Verschmelzung von Galaxien.
Das Problem bei den numerischen Simulationen besteht darin, dass sie entweder einen weit größeren Anteil von in diesem Sinn dynamisch alten Galaxienhaufen vorhersagen, als wir derzeit beobachten, oder — bei niedrigerer Gesamtdichte — die beobachteten hierarchischen Strukturen nicht reproduzieren.
Daraus kann nur der Schluss gezogen werden, dass entweder die Galaxienhaufen vor den Galaxien vorhanden waren — als Potenzialmulden der Materieverteilung — oder aber die gesamte Struktur einem — nicht sichtbaren — Materiehintergrund aus den frühesten Phasen des Universums aufgeprägt wurde. Bei dieser Hypothese spielt die dunkle Materie eine Schlüsselrolle. So gehen heutige kosmologische Theorien davon aus, dass die Keime für die großräumige Struktur des Kosmos bereits zu einer sehr frühen Zeit — etwa 10-35 Sekunden nach dem Urknall — gelegt wurden, sich aber zunächst kaum verstärken konnten. Später — nach der Wasserstoffrekombination — hat dann der geringfügig inhomogene Untergrund von Materie die Strukturierung der sichtbaren Materie entscheidend beeinflusst. Die Eigengravitation der sichtbaren Materie hätte dann nur eine untergeordnete Rolle gespielt. Die Galaxien und Galaxienhaufen hätten sich demnach in Potenzialmulden des Untergrunds angesammelt, anstatt vorwiegend durch Eigengravitation zu kollabieren. Ob sich mit dieser Hypothese das Problem der dynamisch jungen Galaxienhaufen lösen lässt und ob sich ein solcher Materiehintergrund widerspruchsfrei aus der Kosmologie ergibt, ist Gegenstand vieler Kontroversen.
Jenseits der eher kosmologischen Frage nach der Herkunft der hierarchischen Strukturen birgt auch die Entstehung der einzelnen Galaxien in ihrer Formenvielfalt noch manche Rätsel. Auch hier haben numerische Simulationen umfangreicher selbstgravitierender Systeme, die in den 1980er-Jahren durchgeführt wurden, neue Impulse gesetzt. Die Rechnungen zeigen, dass Galaxien bei dem durchaus häufigen Prozess der Verschmelzung in der Regel ihren Typ ändern können. Insbesondere werden strukturlose S0-ähnliche Galaxien bei engen Begegnungen zu ausgeprägten Spiralen, da die Störung des Gravitationsfelds eine zunehmend offene Dichtewelle in der Scheibenkomponente anregt. Wenn solche Spiralen dann verschmelzen, erzeugen sie — je nach Winkel zwischen Relativgeschwindigkeit und den individuellen Drehimpulsen — entweder eine neue Spirale oder ein elliptisches System unterschiedlicher Achsenverhältnisse. Dabei wird in der Regel ein großer Teil der Staubkomponente aus den Galaxien herausgefegt, sodass die Tochtergalaxie tatsächlich dem Erscheinungsbild vieler Ellipsen entspricht.
Somit ergibt sich heute folgendes Bild: Einerseits bestimmen bei der Entstehung einzelner Galaxien neben dem Drehimpuls der Protogalaxie verschiedene bislang unbekannte Parameter den Typ der neuen Galaxie, anderseits dürften die individuellen Spiralstrukturen wie die massiveren elliptischen Riesengalaxien in vielen Fällen wohl das Produkt der dynamischen Geschichte der jeweiligen Galaxien sein. Über die Rolle dieser dynamischen Geschichte als möglicherweise wesentlicher Motor der kosmischen Evolution — insbesondere die Auswirkung naher Vorübergänge von Galaxien als »Katalysator« von Sternentstehungsphasen — kann bislang nur spekuliert werden.
Prof. Dr. Erwin Sedlmayr, Dipl.-Phys. Karin Sedlmayr und Dr. Achim Goeres
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
Kosmologie und Weltmodelle
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
Milchstraßensystem: Unsere Galaxis
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