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Der Himmel über La Palma, von Klaus Fuhrmann


Galaxien

I. Annäherung an ein Phänomen


Wie wir bereits in den zurückliegenden Monaten erfahren haben, können Sterne nicht einzeln, sondern nur im Verbund von Hunderten oder gar Tausenden von Objekten in so genannten Sternentstehungsregionen entstehen. Das "Umfeld" muß sozusagen stimmen, damit es zur Sternbildung kommt. Durch den Weltraum treibende Gas- und Staubwolken müssen stets eine kritische Masse besitzen, bevor sie als ganzes instabil werden können und so zur Bildung eines ganzen Sternhaufens führen.

Interessanterweise liegen nun die verschiedenen Sternentstehungsregionen - wenngleich in riesigen Entfernungen zueinander - so doch aber auch auffallend in einer gemeinsamen Ebene. Sternhaufen an Sternhaufen reihen sich so aneinander, lösen sich im Verlauf von Hunderten von Millionen Jahren auf, und füllen diese Ebene nicht selten mit Milliarden von Sternen. Diesen sich hierbei abzeichnenden Verbund von Sternen nennt man eine Galaxie, und das berühmteste Beispiel ist unsere eigene, die so genannte "Milchstraße".

Die eben angesprochene "Ebene" ist für den Beobachter von der Erde das weißlich schimmernde Band der Milchstraße. Alle Sterne, die wir in anderen Himmelsrichtungen sehen, gehören zwar auch zu unserer Heimatgalaxie, die Tatsache aber, daß die uns umgebenden Sterne am Himmel nicht gleichmäßig verteilt sind, gibt einen ersten Hinweis auf ein gewisses Ordnungsschema.

Zu den besten Standorten, die Milchstraße mit bloßem Auge zu betrachten, gehört gewiß auch die Insel der Palmeros. Das tiefblaue, fast schon als "kitschig" zu bezeichnende Himmelsblau, das der Atlantik dieser Insel tagsüber beschert, bedeutet natürlich des nachts eine ähnlich gute Durchsicht auf die Sterne. Hier erkennen wir daher die Milchstraße nicht nur als eher strukturloses Band, sondern ganz im Gegenteil mit sehr viel Feinstruktur, die den aufmerksamen Beobachter fasziniert.

Über viele Jahrtausende hinweg wird der Anblick der Milchstraße die Menschen beschäftigt haben. Was stellt sie dar? Wie ist sie entstanden? Doch auch wenn künstliche Lichtquellen bis in die jüngste Geschichte des Menschen praktisch kaum eine Rolle spielten (und somit die Milchstraße in der Vergangenheit viel mehr präsent war als heutzutage), so kamen die ersten "erleuchtenden" Erkenntnisse bezüglich der Natur der Milchstraße doch erst recht spät.

Vielleicht werden Sie in diesem Zusammenhang von Galileo Galilei gehört haben, der vor etwa 400 Jahren, mit einem kleinen Fernrohr ausgestattet, sicher als einer der ersten erkannte, daß unsere Milchstraße im Grunde aus vielen dicht beieinander stehenden Sternen besteht.

Vermutlich noch etwas bekannter ist die Geschichte der Entdeckung anderer Galaxien - oder "Nebel" wie man zunächst sagte - als eigenständige Welteninseln. Diese Objekte waren im Laufe der Zeit mit den immer größer werdenden Teleskopen aufgefunden worden. Doch erst dem Astronomen Edwin Hubble gelang in den 1920er Jahren der Nachweis, daß einige von diesen in der Tat eigenständige und sehr weit entfernte Galaxien vergleichbar unserer Milchstraße sind.

Weniger bekannt ist, daß etwa zeitgleich mit Hubble ein junger Astronom, Jan Hendrik Oort, eine fundamental wichtige Erkenntnis bei seiner Untersuchung von nahen Sternen der Milchstraße gelang. Unsere Milchstraße sollte demnach aus zwei Sorten Sternen bestehen. Wenngleich man dies auf den ersten Blick noch nicht als besonders aufregend einstufen könnte, werden wir im Folgenden noch sehen, welch bedeutsames Tor von Jan Oort dadurch aufgestoßen worden war. Interessanterweise, so stellte der Astronom Walter Baade dann in den 1940er Jahren fest, gab es diese beiden "Sternpopulationen" auch in anderen Galaxien, zum Beispiel dem uns benachbarten "Andromedanebel".

Von "Population I" und "Population II" Sternen war ab dann die Rede. Population I, das sind sozusagen "wir" mit unserer Sonne, und die meisten unserer Nachbarsterne in der Milchstraße gehören auch dazu. Diese Sterne befinden sich sehr konzentriert in der oben erwähnten "Ebene" oder "Scheibe", wie die Astronomen sagen. Unsere Milchstraße und auch die Andromedagalaxie sind beides so genannte "Scheibengalaxien" oder auch "Spiralgalaxien", so wie auch das in Abbildung 1 gezeigte Beispiel.

Population II das sind dann die "anderen" Sterne, die nach Ansicht der meisten Astronomen den "Halo" der Galaxien ausfüllen, also die äußerst weitläufige und kugelförmige Umgebung der Galaxien. Walter Baade hatte zwar seinerzeit bereits darauf hingewiesen, daß die von ihm gefundenen Population II Sterne in der Andromedagalaxie auch eine Scheibenpopulation bedeuten. Leider hat sich aber bis zum heutigen Tag die irrtümliche Ansicht "Pop. II" Sterne als "Halosterne" zu bezeichnen, sehr weit verbreitet. Das ist wie mit dem Spinat, der ja auch sehr viel Eisen haben soll. (Machen Sie mal den Test, wenn Sie einen Astrophysiker in ihrem Bekanntenkreis haben und fragen Sie ihn nach "Population II" Sternen. Dieser wird Ihnen dann gewiß sofort erklären was die Astronomie unter einem "Halo" versteht.)

Astrophysik auf La Palma mit Klaus Fuhrmann

Abbildung 1: Aufnahme einer Spiralgalaxie - vergleichbar der unserer Milchstraße. Die Blickrichtung ist hier "von oben" auf die Symmetrieebene. Von der Seite betrachtet würde man eine in der Mitte etwas verdickte Scheibe erblicken. Wichtig ist zu verstehen, daß man hier quasi nur die Spitze eines Eisbergs erblickt, nämlich nur das, was stark leuchtet. Braune Zwerge, Rote Zwerge, und Weiße Zwerge, zum Beispiel, treten auf dieser Aufnahme wegen ihrer geringen Leuchtkraft gar nicht in Erscheinung. Zumindest die beiden letzteren Gruppen haben aber auf die Dynamik und Struktur der Galaxie sehr wohl einen wichtigen Einfluß. Man kann eben die Bewegung von dem was leuchtet nicht verstehen ohne auch die eher dunklen "Gesellen" zu berücksichtigen. Der hier gezeigte Ausschnitt umfaßt in etwa 100000 Lichtjahre. Das ganze Ausmaß dieser Spiralgalaxie dürfte diesen Bereich aber um das fünf- oder gar zehnfache übertreffen. (Aufnahme von Simon Dye, Cardiff Universität, vom August 2004 mit dem 2.5 m Isaac Newton Teleskop auf dem Roque de los Muchachos.)

Kaum hatte man die Galaxien, wie oben erwähnt, als Welteninseln erkannt, so gab es doch schon in den 1930er Jahren Probleme bei ihrer Beobachtung im Verbund von so genannten "Galaxienhaufen". Auch wenn die Galaxien einen großen Abstand zueinander haben, so zeigte sich doch, daß viele von ihnen in Haufen auftreten - wir werden darauf im nächsten Monat noch einmal etwas näher zu sprechen kommen. Der Astronom Fritz Zwicky war jedenfalls seinerzeit durch die Beobachtung solcher Galaxienhaufen und ihrer gegenseitigen Bewegung zu dem Schluß gekommen, daß da doch einiges an Materie auch zwischen den Galaxien liegen müsse.

Jan Oort war ebenfalls im heimatlichen Milchstraßensystem zu dem Schluß gekommen, daß hier noch einiges an Materie unentdeckt war. Und schließlich zeigte in den 1980er Jahren die Bewegung der Sterne aus den Randbereichen der Galaxien, daß auch dort noch große Mengen an Materie vorhanden sein mußten. Anders als in unserem Planetensystem, wo die weiter außen liegenden Planeten wesentlich langsamer um die Sonne laufen, zeigte die Beobachtung vieler Galaxien, daß sich ihre Sterne auch in großer Entfernung vom galaktischen Zentrum praktisch unverändert schnell bewegten.

Um was es sich nun bei dieser Materie handeln konnte, blieb zunächst völlig rätselhaft. Da dieses "Zeug" aber jedenfalls ziemlich dunkel sein mußte, bürgerte sich schnell der Begriff "dunkle Materie" ein. Diese mußte dann in der Folge für alles Unerklärte gerade stehen. Und schon bald gehörte der Satz, daß nicht weniger als 90% der Materie im Universum "dunkle Materie" sein müsse, zum Standardvokabular der meisten Astronomen.

Vielleicht ein Trick, um an Forschungsgelder heranzukommen? Jedenfalls ein attraktives Argument, zu sagen, man habe praktisch keinen Schimmer, woraus das Universum besteht, würde das jedoch gerne untersuchen wollen…

Als die "dunkle Materie" in den 1980er Jahren dann so richtig en vogue war, durchflutete sie sogar unsere solare Nachbarschaft mit etwa einem Drittel des lokalen Gesamtinventars - so glaubte man. Doch dann zeigten die 1997 veröffentlichten Daten des HIPPARCOS Satelliten, daß es in unserer Sonnenumgebung überhaupt keine "dunkle Materie" braucht. Das war ein Dämpfer für all jene, denen es schon fast zur Gewohnheit geworden war, achselzuckenderweise alle nicht erklärbaren Phänomene auf eine mysteriöse dunkle Materie abzuschieben.

Eben erwähnter Satellit hatte aber nichts anderes gemacht, als vor allem die Entfernungen und Bewegungen von etwa 100000 nahen Sternen extrem präzise zu bestimmen. Insbesondere die genauen Entfernungen der Sterne waren hier mit Spannung erwartet worden, da diese bis dahin meist mit einem Faktor 2 unsicher waren, danach aber in vielen Fällen nur noch einen Fehler von 5% aufwiesen.

Längst fällige Hausaufgaben wurden somit erst zum Ende der 1990er Jahre erledigt und trugen so entscheidend zum lokalen Inventar bei. Danach brauchte man, wie gesagt, keine dunkle Materie mehr in Sonnennähe und damit verbunden die böse Vorahnung, ähnliches könne auch woanders passieren - wenn man nur etwas genauer hinschaut. Jedenfalls drängte sich von nun an die Frage auf, warum denn die "dunkle Materie" immer vor allem da dominieren sollte, wo die Daten bzw. das Inventar am unsichersten waren, nämlich in großer Entfernung…

Ungeachtet der "dunklen Materie" Problematik, die in den Anfangsjahren auch von vielen nicht wirklich ernst genommen wurde, machte man sich schon vor etwa 50 Jahren daran, plausible Modelle für die Entstehung der Milchstraße zu entwickeln. Bis zum heutigen Tag ist dieses Thema im Fokus des Interesses der Astrophysik und auch heute brennt der Streit um das wirklich überzeugende Szenario. Wie so oft steckt der Teufel im Detail und spaltet die Akteure in mehrere Lager.

Die ursprünglichen Modelle gingen jedenfalls davon aus, daß unsere Milchstraße und auch andere riesige Spiralgalaxien zunächst eher kugelförmige Objekte waren mit Durchmessern, die vielleicht dem 10fachen (oder auch mehr) der heutigen Galaxien entsprachen. Ähnlich den Sternentstehungsregionen brachte dann irgendetwas diese gigantischen Gaswolken bereits in der Frühphase des Universums zur Instabilität. Material, das sich anfänglich noch eher unkorreliert durch den Raum bewegte, verdichtete sich nun und begann entlang einer ausgezeichneten Achse zu rotieren. Parallel zu dieser Achse konnte das Material praktisch ungehindert auf eine Ebene "zusammenrauschen". Senkrecht dazu verhinderte aber irgendwann in der weiteren Entwicklung die Fliehkraft ein weiteres Zusammenziehen. Jedenfalls gelangte man unmittelbar zu einem ersten Modell der Scheibengalaxien, und klar schien auch, daß vor allem in Scheibennähe die Dichte des zunächst quasi nur aus Wasserstoff und Helium bestehenden Gases hoch genug sein konnte, um die Bildung von Sternen in Sternhaufen, so wie bis in die heutigen Tage, voranzutreiben.

Interessanterweise gibt es aber im Weltraum nicht nur Scheibengalaxien, sondern auch eher kugelförmig bzw. elliptisch ausschauende gigantische Gebilde. Die zahlenmäßig große Masse hingegen scheinen eher kleine "Zwerggalaxien" zu stellen. Diese besitzen vielleicht nur wenige Milliarden Sterne, wohingegen der Milchstraße doch mindestens 100 Milliarden zugeschrieben werden.

Einen ersten Einblick, wie man sich das Zusammenspiel dieser verschiedenen Galaxientypen und ihrer Entstehung vorstellen kann, werden wir im nächsten Monat mit der "Lokalen Gruppe" von Galaxien kennenlernen.



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