Galaxien

Galaxien sind große Familien von Sternen , die durch die Gravitationskraft zusammengehalten werden. Diese Anhäufungen von Sternen sind die grundlegenden Bausteine des Universums. Dass es eine enorme Anzahl solcher Galaxien gibt, die voneinander unabhängig sind, wurde erst vor relativ kurzer Zeit, genauer gesagt um 1930, entdeckt. Davor war man sich nicht im Klaren, ob diese nebelartigen Objekte, die man im Teleskop beobachtete, relativ nahe, d.h. innerhalb unserer Milchstraße , oder weit entfernt sind. Folglich sprach man damals auch noch von Nebeln und nicht von „Galaxien“.

Klassifikation der Galaxien:

Galaxien können in recht unterschiedlicher Form und Ausdehnung auftreten Eine Galaxie von der Größe unserer Milchstraße beinhaltet 100 bis 300 Mrd. Sterne und hat eine Sonnenmasse von ca. 200 Mrd. Daneben gibt es auch Zwerggalaxien mit ca. 100.000 Sternen, also derselben Anzahl von Sternen, wie man sie auch in einem Kugelsternhaufen findet. Andererseits gibt es auch Riesengalaxien wie M 87 im Sternbild Jungfrau, die eine Masse von 2.000 bis 3.000 Mrd. Sonnenmassen aufweisen.

Die Unterteilung der Galaxien erfolgt nach ihrem Aufbau, d.h. nach der Gestalt, die sie im Teleskop zeigen. Diese Einteilung wurde von Edwin Hubble 1925 eingeführt und danach von Gerard de Vaucouleurs und Sidney Van den Bergh weiterentwickelt. Nach der ursprünglichen Klassifikation von Hubble, die heute noch Gültigkeit hat, werden die Galaxien in drei große Gruppen unterteilt:

- Spiralgalaxien

- Elliptische Galaxien

- Irreguläre Galaxien    

1936 führte Hubble eine weitere Gruppe ein, die so genannten linsenförmigen Galaxien, die sich zwischen den elliptischen und die Spiralgalaxien einordnen.



In diesem Schema (auch Stimmgabeldiagramm) stehen


Spiralgalaxien:

Spiralgalaxien (S) zeichnen sich durch eine flache Scheibe aus, in der sich der Großteil der Sterne befindet und in der die Spiralarme  liegen, die vom Kern ausgehen. Die Spiralgalaxien lassen sich nach dem Verhältnis von Kern und Scheibe unterteilen. So dominiert bei Sa-Galaxien der Kern, während bei Sc-Galaxien die Spiralarme stark ausgeprägt sind. Sb-Galaxien liegen hier in der Mitte. 

Einen eigenen Typus bilden die Spiralgalaxien SB, die einen „Balken“ im Zentrum aufweisen, von dem die Spiralarme ausgehen. Auch diese Gruppe lässt sich wieder unterteilen, und zwar danach, wie eng gewunden die Arme bzw. wie groß der Kern ist. 

Insgesamt bilden die Spiralgalaxien rund 61% aller beobachtbaren Galaxien. Bei den Spiralgalaxien findet man in der galaktischen Scheibe, vor allem in den Spiralarmen selbst, vorwiegend  junge Sterne der Population I. In diesem Bereich kommt es regelmäßig zur Bildung von neuen Sternen. Die alten Sternen der Population befinden sich im Bereich des Kerns und vor allem im Halo, also in den äußeren Zonen der Galaxie. Die Spiralen wiederum sind reich an interstellarer Materie und Gas.


Linsenförmige Galaxien:

Die linsenförmigen Galaxien verdanken ihren Namen der Tatsache, dass sie von der Seite wie zwei aufeinandergelegte Konvexlinsen aussehen. Linsenförmige Galaxien mit Baken werden SBO genannt, solche ohne Balken SO. Im Vergleich zu den Spiralgalaxien  ist ihre Scheibe weniger stark ausgeprägt, wie diese zeigen sie einen diffusen Halo, sodass diese Galaxien insgesamt wie Spiralsysteme ohne Spiralarme wirken. Die linsenförmigen Galaxien machen ca. 22% der beobachteten Galaxien aus.


Elliptische Galaxien:

Bei den elliptischen Galaxien (E) zeigen die Sterne im Wesentlichen eine symmetrische Verteilung, die oft kugelähnlich ist, sodass diese Systeme wie große Kugelsternhaufen wirken. Die elliptischen Galaxien werden je nach ihrer Form mit Ziffern von 0 bis 7 bezeichnet, wobei E0 für kugelförmige und E7 für zigarrenförmige elliptische Galaxien steht.

Elliptische Galaxien zeigen sich, je nachdem, aus welchem Blickwinkel man sie betrachtet, oft von recht unterschiedlicher Form; so kann sich etwa eine Galaxie vom Typ E0 als durchaus länglich erweisen, wenn man sie in der Richtung der Polachse beobachtet. Elliptische Galaxien bestehen vorwiegend aus älteren Sternen der Population II, wobei die hellsten die Roten Riesen sind, die die Galaxie auch farblich dominieren. In diesen Systemen gibt es nur wenig interstellare, so dass es kaum zur Bildung von neuen Sternen kommt.

Elliptische Galaxien können von recht unterschiedlicher Masse sein; sie bewegen sich zwischen weniger als 1 Mio und mehreren tausend Mrd. Sonnenmassen. Die elliptischen Galaxien machen rund 13% des Universums aus.


Irreguläre Galaxien:

4% aller bisher beobachteten Galaxien im Universum werden von irregulären Galaxien gebildet. Diese Bezeichnung verdanken sie der Tatsache, dass sie keine Rotationssymmetrie erkennen lassen. Im Allgemeinen sind sie von sehr geringer Masse (weniger als 1/100 der Milchstraße), sodass sie oft als Begleiter von größeren Systemen auftreten. Ein typisches Beispiel für die Galaxien sind die Magellanschen Wolken, die die Milchstraße begleiten . Die irregulären Galaxien sind reich an interstellarer Materie und jungen Sternen.


Galaxienklassen und Entwicklung: 

Eine Zeit lang nahm man an, dass der Bau der Galaxien eng mit ihrer Entwicklung verbunden sein. Man ging davon aus , dass Galaxien sich als elliptische Systeme bilden und allmählich eine unregelmäßige Gestalt annahmen. In den heute vorherrschenden Theorien zur Entwicklung von Galaxien ist man von dieser Sichtweise abgekommen. Die Gestalt einer Galaxie scheint vielmehr von anderen Faktoren abzuhängen, insbesondere davon, in welchen Zeiträumen sich die Sterne in ihrem Inneren bilden. Wenn die Sterne eines Systems aus irgendeinem Grund in sehr kurzen Zeiträumen entstehen und dabei einen großen Teil der interstellaren  Materie aufbrauchen, so dürfte es zur Bildung einer elliptischen Galaxie kommen. Entstehen die Sterne jedoch nach und nach, sodass sich auch heute noch neue Sterne Bilden, so haben wir es mit einer Spiralgalaxie zu tun. Ebenfalls von Bedeutung für die Gestalt einer Galaxie  könnte der Umstand sein, ob es zu Zusammenstößen oder Verschmelzungen von Systemen kommt.


Wechselwirkungen zwischen Galaxien:

 Bisweilen kann man im Teleskop Galaxien erkennen, zwischen denen es gewisse gravitationsbedingte Wechselwirkungen zu geben scheint. Der Unterschied zwischen elliptischen und Spiralgalaxien wird heute auch anhand der Theorie der Verschmelzung (merging) von Galaxien interpretiert. Demnach könnten sich manche Galaxien, vor allem sehr große, durch Verschmelzung von zwei oder mehr Galaxien gebildet haben, unter Umständen auch von Spiralgalaxien. Computersimulationen haben bestätigt, dass sich durch Verschmelzung von Galaxien früher oder später eine Riesenellipsengalaxie bildet. Viel seltener scheint sich das Gegenteil zu ereignen, dass nämlich einer elliptischen Galaxie durch Gravitationswirkung Materie entrissen wird und diese spiralähnliche Strukturen bildet.

 Wenn es zu einer Kollision bzw. einer Durchdringung zweier Galaxien kommt, so entstehen extrem starke Gezeitenkräfte, die in Galaxien mit großen Mengen an interstellarem Gas dieses verdichten, wodurch die Entstehung neuer Sterne angeregt wird. Es kommt zu einem beschleunigten Alterungsprozess der Galaxie, indem durch ein derartiges gewaltsames Ereignis die gesamten Gasvorräte aufgebraucht werden.

 

Ursprung und Bildung der Galaxien:

Der Mikrowellenhintergrund gibt die Materieverteilung des Universums 380.000 Jahre nach dem Urknall wieder. Damals war das Universum noch sehr homogen: Die Dichtefluktuationen lagen in der Größenordnung von 1 zu 105. Im Rahmen der Kosmologie kann das Anwachsen der Dichtefluktuation durch den Gravitationskollaps beschrieben werden. Die Dichte des Universums wies schon früh minimale Schwankungen auf – geringfügige Störungen im gleichmäßigen Gefüge, verursacht durch die unablässige Bewegung der Teichen, die auf Grund ihrer extrem hohen Temperaturen mit Lichtgeschwindigkeit zirkulierten. Dieser Umstand wurde durch die in der Hintergrundstrahlung beobachteten Schwankungen bestätigt. Als diese Dichteunterschiede, die hier und dort auftraten, ein gewisses Ausmaß erreichten, wurde in dichteren Regionen durch die Gravitation immer mehr Materie angezogen.

 Bis vor kurzem gab es zwei konkurrierende Theorien zur Entstehung von Galaxien. Nach der einen kondensierten aus mächtigen Materiebänden Galaxien („top down“), aus denen schließlich Sterne entstanden. Der entgegengesetzten Theorie zufolge („bottom up“) bildeten sich die Sterne anfänglich in kleinen Gruppen, die zu immer größeren Strukturen verschmolzen, den Galaxien und deren Haufen. Bei beiden Theorien spielt die Dunkelmaterie  eine wichtige Rolle, die auch in der Frühzeit sehr viel stärker vertreten war als gewöhnliche Materie. Doch war sie heiß und hochmobil oder kalt und träge? Im ersten Fall könnten zunächst großräumige Strukturen entstanden sein, aus denen sich Galaxien herauskristallisierten. Das passt aber nicht zu Beobachtungen, dass die ersten Sterne und galaktischen Schwarzen Löchern kurz nach dem Urknall entstanden. Vermutlich treffen beide Theorien zu: Die „bottom up“-Entwicklung erfolgte rasch, die „top-down“ jeweils in Abhängigkeit von der Dunkelmaterie.