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Extragalaktische Astronomie

Extragalaktische Astronomie

von

Andreas Schwarz

 

Galaxien sind Ansammlungen von einigen hundert Milliarden Sternen und großen Mengen von Interstellarer Materie, welche dynamisch und kosmogonisch eine Einheit bilden. Sie sind damit die größten Bausteine des Universums und im Rahmen der Kosmologie. Allerdings bilden Galaxien Gruppen und Haufen, welche wiederum Super-Haufen bilden können. Bis in die Mitte der 1920er Jahre war unklar, ob Galaxien als Nebel Bestandteile unserer Milchstraße (Galaxis) sind oder eigenständige Sternsysteme darstellen. Im Jahr 1924 konnten die nächsten Galaxien zunächst teilweise in Einzelsterne aufgelöst werden und im Jahre 1925 erstmals die Entfernung von einer Galaxie bestimmt werden. Damit war klar, dass Galaxien jeweils eigenständige Sternsysteme und keine Nebel sind. Aufgrund ihrer großen Entfernung erscheinen Galaxien als Nebel und nicht als Ansammlung von Einzelsternen. Unsere Galaxis ist eine gewöhnliche Balkenspiralgalaxie, welche etwa 300 Milliarden Sterne beinhaltet. Die Galaxis hat einen Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren und eine Dicke von etwa 3.000 bis 16.000 Lichtjahren. In ihrem Zentrum (Bulge) befindet sich ein Supermassives Schwarzes Loch mit etwa 4 Millionen Sonnenmassen. Unsere Sonne mit ihren Planeten befindet sich in einem der Spiralarme der Galaxis, etwa 26.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt, und umkreist dieses einmal in 220 Millionen Jahren.

 

Nach dem heutigen Wissenstand gibt es im sichtbaren Universum etwa 200 Milliarden Galaxien, welche insgesamt etwa 1022 Sterne beinhalten. Es gibt verschiedene Typen von Galaxien. Nach der sogenannten Hubble-Klassifikation gibt es Spiralgalaxien, Elliptische Galaxien und Irreguläre Galaxien. Die Spiralgalaxien spalten sich wiederum in die Typen normale Spiralgalaxien und Balkenspiralgalaxien auf. Doch gibt es noch weitere Klassifikationen, etwa Starburst-Galaxien mit hoher Sternentstehungsrate und Aktive Galaxien, welche neben der thermischen Sternenstrahlung den größten Teil ihrer Energie im nichtthermischen Bereich abstrahlen. Die Typen von Galaxien unterscheiden sich nicht nur in ihren äußeren Erscheinungsformen, sondern auch in physikalischer Hinsicht. So beinhalten sie unterschiedliche Sterntypen, was sich in den Farben der ausgesendeten Strahlung von Galaxien bemerkbar macht. Allerdings ist auch die Menge an Interstellarer Materie, insbesondere von Staub, in den verschiedenen Typen von Galaxien unterschiedlich. Aufgrund der durch Staub bedingten Extinktion, der Abschwächung von Strahlung beim Durchgang durch ein Medium, wird das Licht von Galaxien mit zunehmender Staubkonzentration röter. Die Sternbildungsrate ist ebenfalls unterschiedlich und vom Typ einer Galaxie abhängig. Letztendlich haben sich die verschiedenen Typen von Galaxien, welche eine unterschiedliche Morphologie haben, auch unterschiedlich entwickelt.

 

Die Spiralgalaxien bestehen aus einer Scheibe, welche eine Spiralstruktur hat. In dieser Scheibe befindet sich eine zentrale Verdickung, welche als Bulge bezeichnet wird. Der Bulge ist der schwach abgeplattete Kern der Spiralgalaxie, welcher morphologisch einer elliptischen Galaxie ähnelt. Heute gilt als sicher das sich in einem Galaxiekern ein Supermassives Schwarzes Loch befindet, welches mehrere Millionen bis mehrere Milliarden Sonnenmassen haben kann. Im Falle der Balkenspiralgalaxie ist der Kern balkenförmig ausgebildet, an den Enden dieser Balken setzen dann die Spiralarme an. Die Spiralarme werden durch Dichtewellen erzeugt. In ihnen ist die Dichte an Interstellarer Materie größer und entsprechend ist auch die Sternbildungsrate am höchsten. Somit findet in Spiralgalaxien auch noch aktive Sternentstehung statt. Allerdings gibt es zwei Populationen von Sternen in einer Spiralgalaxie. Der Population I (Scheibenpopulation) gehören relativ junge und blaue Sterne an, welche sich überwiegend im Bereich der galaktischen Scheibe und der Spiralarme befinden. Im Gegensatz dazu gehören der Population II eher alte und rote Sterne an, welche in dem Bulge konzentriert sind. Die Spiralgalaxien werden mit dem Buchstaben S bezeichnet. Mit zunehmender Öffnung der Spiralarme erfolgt eine Klassifizierung von a bis c. So haben Spiralgalaxien vom Typ Sa eng anliegende Spiralarme und die von Typ Sc weit geöffnete Spiralarme. Diese Klassifizierung gilt auch für Balkenspiralen, welche mit SB bezeichnet werden. Je nach Öffnung der Balkenspiralen gibt es dann die Klassifizierungen von SBa bis SBc. Zwischen den Spiralgalaxien und den Elliptischen Galaxien gibt es einen Übergangstypen, welcher mit S0 bzw. SB0 bezeichnet wird.

 

In einer Elliptischen Galaxie befinden sich hauptsächlich Sterne der Population II, also alte und rote Sterne. Bei Elliptischen Galaxien handelt es sich um Galaxien, welche nach der vorherrschenden Auffassung aus der Verschmelzung von jungen Spiralgalaxien hervorgegangen sein sollen. Sie besitzen kaum noch Interstellare Materie und somit findet kaum noch Sternbildung statt. Dies erklärt auch das Fehlen von Sternen der Population I, also von jungen und blauen Sternen. Die Supermassiven Schwarzen Löcher in Elliptischen Galaxien sind in der Regel wesentlich massenreicher als in Spiralgalaxien, da diese aufgrund ihres Alters über einen langen Zeitraum Materie akkretiert (aufgenommen) haben und durch Verschmelzungsprozesse entstanden sein dürften. Sie haben Massen im Bereich von mehreren Milliarden Sonnenmassen. Ein Teil des fehlenden interstellaren Gases wurde von diesen Supermassiven Schwarzen Löchern aufgenommen, was dessen geringe Konzentration in einer Elliptischen Galaxien erklärt. Die Elliptischen Galaxien werden nach ihrer Abplattung klassifiziert und nach den Typen E0 bis E7 unterschieden. E steht hierbei für Ellipse, während die nachgestellte Ziffer den Abplattungsgrad dieser Ellipse beschreibt. Mit zunehmender Zahl von E0 bis E7 steigt die Abplattung einer Elliptischen Galaxie. Daneben gibt es noch Sondertypen von Elliptischen Galaxien, wie z.B. Zwergellipsen.

 

Die Irregulären Galaxien zeigen keine besondere Symmetrie, verfügen jedoch über höhere Anteile von Interstellarer Materie sowie über relativ junge und blaue Sterne. Nach der vorherrschenden Vorstellung sollen Irreguläre Galaxien durch gravitative Wechselwirkung mit anderen Galaxien aus Spiralgalaxien und Elliptischen Galaxien entstanden sein. Durch diese Wechselwirkung wurde die ursprüngliche Galaxie stark deformiert und zeigt danach keine symmetrischen Strukturen mehr.

Von der Beobachtung her haben Spiralgalaxien einen Anteil von 77 Prozent an der Gesamtzahl der Galaxien. Tatsächlich haben sie nur einen Anteil von 33 Prozent. Für die Bestimmung aller Werte wurden die Galaxien bis in eine Entfernung von 9,1 Megaparsec (Mpc) berücksichtigt. Hierbei sind ein Mpc eine Million Parsec und ein Parsec 3,26 Lichtjahre. Ein Mpc entspricht also einer Entfernung von 3,26 Millionen Lichtjahren. Nach der Beobachtung scheinen Irreguläre Galaxien nur einen Anteil von 3 Prozent zu haben, doch stellen sie mit 54 Prozent den größten Anteil der Galaxien dar. Im Falle der Elliptischen Galaxien liegen der beobachtete Anteil bei 20 Prozent und der tatsächliche bei 13 Prozent.

 

Neben dieser Einteilung nach Galaxientypen gibt es noch weitere Typisierungen. Hervorgehoben werden sollen noch die Starburst-Galaxien und die Aktiven Galaxien. Doch gibt es natürlich noch andere Klassifizierungen. In Spiralgalaxien liegt die Sternbildungsrate bei etwa drei Sonnenmassen pro Jahr. Im Falle von Starburst-Galaxien kann die Sternbildungsrate bei 100 Sonnenmassen und mehr liegen. Hintergrund für die hohe Sternbildungsrate in Starburst-Galaxien können gravitative Wechselwirkungen oder Verschmelzungen mit anderen Galaxien sein. Eine weitere Ursache können Gasströme entlang von Balken in Balkenspiralen sein. Häufig findet die Sternbildung in Starburst-Galaxien in dichten Molekülwolken statt, welche einen relativ großen Staubanteil haben.

 

Die Strahlung der genannten Galaxien stammt im Wesentlichen von den Sternen, aus denen diese unter anderem bestehen. Die spektrale Verteilung der Galaxienstrahlung ist hauptsächlich eine Überlagerung der Spektren der Sternpopulationen. Es handelt sich in diesen Fällen um thermische Strahlung. Ein Stern hat in Abhängigkeit von seiner Oberflächentemperatur ein bestimmtes Strahlungsspektrum. Mit steigender Oberflächentemperatur ändert sich die Farbe eines Sterns von rot über orange, gelb, grün und blau zu violett. Am roten Ende des optischen Spektrums schließt sich der Infrarotbereich, am violetten Ende der ultraviolette Bereich an. Die Sternstrahlung wird im Ergebnis durch Kernfusion im Kern des Sterns erzeugt.

 

Bei Aktiven Galaxien bzw. Aktiven Galaktischen Kernen (Active Galactic Nucleus, AGN) kommt ein erheblicher Bruchteil der Leuchtkraft nicht von der thermischen Strahlung, sondern es handelt sich um umgewandelte Gravitationsenergie. Diese Energie wird bei der Akkretion von Materie in ein Supermassives Schwarzes Loch frei. In diesem Fall kommt es zum Einfall von Materie in dieses Supermassive Schwarze Loch. Dabei kommt es zur Herausbildung einer sogenannten Akkretionsscheibe, welche sich senkrecht zur Rotationsachse des Supermassiven Schwarzen Loches herausbildet. Diese besteht aus Gas und Staub. Der Drehimpuls dieser Gas- und Staubteilchen wird nach außen transportiert, so dass die Materie nach innen diffundieren und vom Supermassiven Schwarzen Loch aufgenommen werden kann. Dabei wird die Materie so stark aufgeheizt, dass Strahlung bis in den Röntgenbereich erzeugt wird. Um diese Akkretionsscheibe befindet sich noch ein dichter Staubtorus, welcher die Akkretionsscheibe mit Materie speist. Ein Großteil der erzeugten Strahlung ist allerdings nichtthermischer Natur. In Verbindung mit Magnetfeldern bilden sich in beiden Richtungen der Rotationsachse sogenannte Jets heraus. In diesen wird Materie aus geladenen Teilchen, sogenannte Plasmen, gebündelt und bewegt sich spiralförmig entlang der Magnetfeldlinien vom Supermassiven Schwarzen Loch weg. Dabei werden diese Plasmen, hauptsächlich Protonen, Heliumkerne und Elektronen sowie ein kleiner Anteil schwerere Kerne, auf annähernder Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Spiralförmig bewegte bzw. beschleunigte Plasmen erzeugen sogenannte Synchrotronstrahlung. Hierbei handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, deren Frequenzen vom Radiowellenbereich bis in den Röntgenbereich reichen können. So strahlen Aktive Galaxien unter anderem besonders hell im Radiowellenbereich oder im Röntgenbereich.

 

Die Einteilung der Aktiven Galaxien in verschiedene Typen ist historisch bedingt und erfolgte auf Grund spektraler Unterschiede. Konkret können diese Unterschiede im Fehlen bestimmter spektraler Komponenten oder in deren unterschiedlicher Ausprägung bestehen. Neben diesen spektralen Unterschieden gibt es noch morphologische Unterschiede. Typen von Aktiven Galaxien sind: Quasare, Blasare, BL Lactertea, Radiogalaxien, Seyfertgalaxien, LINER-Galaxien und ULIG-Galaxien. Zusätzlich zu der Einteilung der Aktiven Galaxien nach bestimmten Typen gibt es auch noch innerhalb dieses Typs verschiedene Einteilungen. So wird oft bei den einzelnen Typen von Aktiven Galaxien noch zwischen Typ-1 und Typ-2 unterschieden. Zwischen dem Typ-1 und dem Typ-2 als Grenzfällen gibt es noch Zwischentypen, wie etwa Typ-1.6. Die unterschiedlichen Typen von Aktiven Galaxien werden überwiegend geometrisch gedeutet, wobei diese Deutung wahrscheinlich alleine nicht ausreichen wird. Je nach Orientierung des Staubtorus zum Beobachter ist der Blick ins Innere des aktiven galaktischen Kerns entweder frei oder nicht. Dies führt zu Unterschieden bei den zu beobachteten Eigenschaften einer Aktiven Galaxie.

 

Galaxien sind nicht die größten Strukturen im Universum, sondern bilden Gruppen und Haufen. Bei Gruppen und Haufen handelt es sich um die massereichsten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum. Der Übergang zwischen Haufen und Gruppen ist hierbei fließend und die nachfolgende Definition nur ein Richtwert. Gruppen haben bis zu 50 Mitglieder in einer Sphäre mit einem Durchmesser von etwa D ˂ 1,5h-1 Mpc. Haufen haben mehr als 50 Mitglieder in einer Sphäre von etwa D ˃ 1,5h-1 Mpc. Gruppen und Haufen können sich wiederum noch zu Super-Haufen zusammenschließen, welche die größten Strukturen im Universum bilden.

 

Auch hinsichtlich der Masse gibt es eine mögliche Differenzierung als Richtwert. Gruppen beinhalten etwa 3∙1013 Sonnenmassen, Haufen etwa 3∙1014 Sonnenmassen und mehr. Insgesamt bewegt sich die Masse von Gruppen und Haufen in einem Bereich von 1012 bis 1015 Sonnenmassen. Ein Großteil der Masse von Galaxien bzw. Galaxiengruppen und –haufen liegt jedoch nicht in Form von Interstellarer Materie und Sterne, sondern in Form von sogenannter Dunkler Materie vor. Was hinter der Dunklen Materie steckt, ist noch ungeklärt. Vermutet werden massive Teilchen jenseits des Standardmodells. Die große Mehrheit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler favorisiert diese These. Von einer Minderheit werden auch Thesen vertreten, wonach die gängigen Gravitationstheorien reformiert werden müssten. Nach diesen Thesen sollen sich bei größeren Abständen die gravitativen Gesetzmäßigkeiten ändern und so die Existenz der Dunklen Materie vortäuschen.

 

Bei der Galaxienentstehung dürfte Dunkle Materie eine entscheidende Rolle gespielt haben. Diese bildete zunächst Strukturen, an denen sich dann die normale Materie aus Atomen (baryonische Materie) anlagerte. Zunächst in Form von Gas, welches zu etwa drei Vierteln aus Wasserstoff und zu einem Viertel aus Helium bestand. Daraus bildeten sich dann die ersten Sterne. Mit der Galaxienentstehung dürften auch die Supermassiven Schwarzen Löcher entstanden sein. Zunächst bildeten sich kleine Galaxien. Durch Verschmelzungsprozesse unter den Galaxien entstanden immer größere Galaxien. Die ersten Galaxien entstanden etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall. In der Frühphase der Galaxienentstehung dürften zunächst Aktive Galaxien entstanden sein.

 

Die zeitliche Entwicklung von Galaxien ist auch in die zeitliche Entwicklung des Universums als Ganzes eingebettet. Die von Albert Einstein im Jahr 1915 aufgestellte Allgemeine Relativitätstheorie sagte bereits die Expansion des Universums voraus. Hierbei expandiert die Raumzeit und zieht die Galaxien mit. Im Jahr 1929 entdeckte der Astronom Edwin Hubble, dass alle Galaxien sich von uns wegbewegen. Je weiter die Galaxien von uns entfernt sind, desto höher ist die sogenannte Fluchtgeschwindigkeit. D.h. der Abstand r zwischen zwei beliebigen Galaxien bzw. zwischen uns und einer Galaxie ist proportional zur Fluchtgeschwindigkeit v dieser Galaxien. Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Entfernung und der Fluchtgeschwindigkeit ist der sogenannte Hubble-Parameter H(t). Es gilt:

 

v = H(t) ∙ r

 

Bestimmt wird die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien mit Hilfe ihrer Spektren. Je höher die Fluchtgeschwindigkeit ist, desto weiter sind die Spektrallinien aufgrund des sogenannten Dopplereffekts in den langwelligen Bereich bzw. den roten Bereich des Spektrums verschoben. Daher wird auch von Rotverschiebung gesprochen. Für die Rotverschiebung z gilt:

 

z = v/c

 

Hierbei ist v wieder die Fluchtgeschwindigkeit und c die Lichtgeschwindigkeit. Die Rotverschiebung ist also ein direktes Maß für die Entfernung einer Galaxie. Die im Jahre 1929 nachgewiesene Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien ist ein Beleg für das Standardmodell der Kosmologie.

 

Bestimmte Typen von Aktiven Galaxien, etwa von Quasaren oder Seyfertgalaxien, korrelieren mit ihrem Alter bzw. ihrer Entfernung von der Erde. Die Häufigkeit von Quasaren erreicht bei einer Rotverschiebung von z = 2,0 einen Höhepunkt, die von Seyfertgalaxien bei z = 0,7. Allgemein kann gesagt werden, dass die Häufigkeit eines bestimmten Typs von Aktiver Galaxie von seiner Leuchtkraft abhängt. So haben z.B. Quasare eine höhere Leuchtkraft als Seyfertgalaxien. Diese beschriebenen Sachverhalte stützen zusätzlich die These, wonach zeitliche Entwicklungseffekte bei den beobachtbaren Eigenschaften von Aktiven Galaxien eine Rolle spielen. Ein Quasar ist wahrscheinlich eine Aktive Galaxie in einer früheren Entwicklungsstufe als eine Seyfertgalaxie. Aktive Galaxien mit höherer Leuchtkraft scheinen sich zu einem früheren Zeitpunkt gebildet zu haben als solche mit geringerer Leuchtkraft.

 

In der nachfolgenden Abhandlung „Extragalaktische Astronomie“ wird ausführlich auf die verschiedenen Arten von Galaxien sowie auf den Aufbau und die Entwicklung von Galaxien eingegangen.

 

Extragalaktische Astronomie
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