Wenn man in den dunklen Nachthimmel schaut, sieht man Sterne in alle Richtungen verstreut. Hier gibt es vielleicht ein paar mehr als dort, aber im Allgemeinen sind die Sterne mehr oder weniger gleichmäßig über den Nachthimmel verteilt.

Wenn du dich jedoch an einem besonders dunklen Ort befindest, wirst du ein schwaches Lichtband am Himmel sehen. Und wenn man ein Teleskop in die Richtung dieses Bandes richtet, sieht man sehr viel mehr Sterne.

Der italienische Wissenschaftler Galileo Galilei war der erste, der dies tat und damit die mehr als 2.000 Jahre alte Annahme bestätigte, dass das Band, das seit Jahrtausenden als „Milchstraße“ (von griechisch galaxías kýklos) bezeichnet wurde, aus unzähligen fernen Sternen besteht.

Es entstand die Vorstellung, dass sich das Sonnensystem in einem abgeflachten Sternenhaufen befand, denn wenn man entlang dieser „Scheibe“ schaut, sieht man eine Fülle von Sternen, während man weniger sieht, wenn man sich von der Scheibe entfernt.

Neben den Sternen sah man eine Reihe von unscharfen Klecksen, von denen man zunächst annahm, dass sie im Inneren der Milchstraße lagen. Die Menschen glaubten einfach, dass die Milchstraße alles ist, was existiert – sie ist das gesamte Universum. Der deutsche Philosoph Immanuel Kant schlug jedoch vor, dass die Milchstraße lediglich unser Universum sei, während die unscharfen Flecken – oder Nebel – weit entfernte „Inseluniversen“ seien, weit weg von unserem.

Zu dieser Zeit waren solche Gedanken nur Spekulationen, aber mit der Einführung der Kamera und großer Teleskope erkannten die Astronomen vor nur 100 Jahren, dass unsere Galaxie – wie die Inseluniversen heute genannt werden – nur eine von scheinbar unendlich vielen Klumpen von Sternen ist, die sich gegenseitig umkreisen und durch die Schwerkraft zusammengehalten werden.

Während der Abstand zwischen Sternen innerhalb einer Galaxie typischerweise einige Lichtjahre beträgt, werden die Entfernungen zwischen Galaxien in Millionen von Lichtjahren gemessen. Zwischen Galaxien gibt es praktisch nichts – etwa 1 Atom pro Kubikmeter.

Die kleinsten Galaxien beherbergen einige Millionen Sterne, während die größten Billionen umfassen. Die Milchstraße, die als typische Galaxie betrachtet werden kann, enthält einige hundert Milliarden Sterne.

In diesem Artikel werde ich erklären, was eine Galaxie ist, woraus sie besteht und welche verschiedenen Arten es gibt. In einem späteren ScienceNordic-Artikel werden wir uns ansehen, wie die Galaxien überhaupt entstanden sind.

Woraus bestehen Galaxien?

Fünf oder sechs Dinge können als Bausteine von Galaxien genannt werden: Sterne, Gas, Staub, supermassive schwarze Löcher, dunkle Materie und vielleicht Planeten.

Sterne gibt es, wie oben beschrieben, reichlich. Sterne leben lange Zeit, aber nicht ewig. Wenn sie ihren Brennstoff verbrauchen und sterben, hinterlassen sie Weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher.

Aber obwohl es im Allgemeinen die Sterne sind, die es uns ermöglichen, die Galaxien zu sehen, machen sie eigentlich nur einen kleinen Teil der Gesamtmasse der Galaxie aus.

Sterne bestehen aus Gas, aber zwischen den Sternen – im so genannten interstellaren Medium – befinden sich ebenfalls große Mengen an Gas.

In kleinen Galaxien kann es genauso viel interstellares Gas wie Sternengas geben, während der Anteil mit zunehmender Größe der Galaxie abnimmt.

Das interstellare Medium ist in verschiedene Phasen unterteilt. Einige Regionen sind diffus und extrem heiß, mit Temperaturen von Millionen von Grad. In diesen Regionen ist das Gas ionisiert, was bedeutet, dass den meisten Atomen aufgrund der hohen Temperatur ein oder mehrere Elektronen entrissen wurden.

Andere Regionen sind dichter und kühler, etwa 10.000 K.

Je heißer das Gas ist, desto höher ist der Druck und desto mehr dehnt es sich aus (das ist derselbe Mechanismus, der einen Heißluftballon aufsteigen lässt).

Umgekehrt bilden sich sehr dichte und kalte Molekülwolken, wenn sich das Gas stark abkühlt (auf etwa 100 Grad Kelvin, oder -170 °C). Hier entstehen neue Sterne!

Beim Urknall sind praktisch nur Wasserstoff- und Heliumatome entstanden, worüber ich im Artikel Der Urknall – ein Augenzeugenbericht mehr geschrieben habe.

Aber wenn Sterne ausbrennen und sterben, geben sie einen Teil ihres Gases an das interstellare Medium zurück – nur ist es jetzt mit schwereren Elementen verunreinigt (die Astronomen nennen sie liebevoll verallgemeinernd alle „Metalle“, auch wenn das für Chemiker unstimmig klingen mag).

Heute sind etwa zwei Prozent der gesamten Gasmasse in Metalle umgewandelt worden, und etwa ein Drittel dieser Metalle hat sich zu Staub verklumpt.

Planeten – ein vernachlässigbarer Bruchteil der Galaxie

Wenn ein Stern geboren wird, bildet sich eine Scheibe aus Gas und Staub um ihn herum. Staub kann sich verklumpen und Gestein bilden, das wiederum größere Gesteinsbrocken hervorbringt, die schließlich als Planeten enden können.

Im Gesamtmassenhaushalt spielen die Planeten eine verschwindend geringe Rolle, aber sie sind wahrscheinlich für die Existenz von Leben notwendig, so dass sie dennoch recht spannend sind.

Seit der Entdeckung der ersten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems vor gerade einmal 25 Jahren ist klar geworden, dass die meisten Sterne Planeten haben. Wir kennen inzwischen mehr als 4.000 Exoplaneten (d.h. Planeten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen).

Supermassive schwarze Löcher und dunkle Materie

Im Zentrum der meisten Galaxien befindet sich ein „supermassives schwarzes Loch“. Diese schwarzen Löcher können das Millionen- oder Milliardenfache der Masse der Sonne wiegen (in der Astronomie ist alles so massiv, dass es unpraktisch ist, Dinge in Gramm oder Kilogramm zu messen, daher verwenden wir stattdessen die Sonnenmasse, was ungefähr zwei Milliarden Billionen Kilogramm entspricht).

In Bezug auf die Schwerkraft ist ihr Beitrag im Vergleich zum Rest der Galaxie eher unbedeutend, aber für eine gewisse Zeit kann das Schwarze einen „aktiven galaktischen Kern“ oder einen Quasar erzeugen, der einen beträchtlichen Teil der Materie der Galaxie aus der Galaxie herausblasen kann.

Manchmal können diese Quasare die Galaxie so weit entleeren, dass die Bildung neuer Sterne unterdrückt wird.

Das, wovon wir bisher gehört haben, macht jedoch nur etwa 1/6 der Gesamtmasse aus. Der größte Teil der Masse einer Galaxie ist in Wirklichkeit etwas ganz anderes, nämlich dunkle Materie.

Die dunkle Materie unterscheidet sich von der „normalen“ Materie dadurch, dass sie nur gravitativ wechselwirkt. Das bedeutet, dass sie weder von elektromagnetischen noch von nuklearen Kräften beeinflusst wird oder diese ausübt, daher kann sie kein Licht aussenden und nicht mit anderen Dingen zusammenstoßen.

Eben weil sie kein Licht aussendet, nennen wir sie dunkle Materie. Wir können sie nicht sehen; wir sehen nur die Auswirkungen, die sie auf die Dinge hat, die wir sehen können, da sie durch die Gravitation mit der leuchtenden Materie wechselwirkt.

Die normale Materie kann abkühlen und zu einer dichten Galaxie werden, aber die dunkle Materie hat es schwerer, sich zu verklumpen, und befindet sich daher in einem viel größeren „Halo“ um den sichtbaren Teil der Galaxie.

Das, was wir als Galaxie sehen, ist also nur ein Bruchteil dessen, was eine Galaxie tatsächlich ist. Diese Abbildung zeigt die ungefähren Dimensionen der Bestandteile der Milchstraße.

Galaxienzoo

Galaxien gibt es in einer Vielzahl von Formen und Erscheinungsformen, aber im Allgemeinen können wir sie in drei Klassen einteilen:

1. Spiralgalaxien
2. Elliptische Galaxien
3. Irreguläre Galaxien

Alle diese Klassen haben jedoch Untergruppen, und einige Galaxien sind sogar etwas hors catégorie.

Das Aussehen einer Galaxie wird als ihre Morphologie bezeichnet. Wenn wir die Entwicklung von Galaxien studieren wollen, ist es praktisch, sie nach ihrem Typ zu klassifizieren, aber oft ist es ein bisschen subjektiv, wie man eine Galaxie morphologisch klassifiziert, da es keine klaren Grenzen zwischen den verschiedenen Typen gibt.

Wenn du Astronomen helfen willst, Galaxien zu klassifizieren, kannst du galaxyzoo.org besuchen und uns bei der Entscheidung helfen.

Noch im letzten Jahr haben die Ergebnisse dieses Astro-Crowdsourcing die Astronomen dazu veranlasst, unser Verständnis davon, wie sich die Arme von Spiralgalaxien verhalten, zu überarbeiten (siehe dieses Video für einen Überblick).

Aber lassen Sie uns einen genaueren Blick auf die verschiedenen Arten von Galaxien werfen.

Die herrlichen Spiralgalaxien

Meiner Meinung nach sind Spiralgalaxien die schönsten. Sie zeichnen sich durch eine rötliche, zentrale „Ausbuchtung“ und eine Reihe bläulicher Spiralarme aus, die in einer flachen Scheibe liegen, und rotieren majestätisch mit Perioden von einigen 100 Millionen Jahren.

Die Spiralarme enthalten nur etwa 2-3 mal so viele Sterne wie dazwischen, aber da in diesen Regionen eine aktive Sternbildung stattfindet, sind sie viel heller. Weil die massereichen Sterne – die blau leuchten, aber schnell ausbrennen – hier noch vorhanden sind, erscheinen die Arme blau.

Rund zwei Drittel der Spiralgalaxien haben eine balkenartige Struktur, die sich vom Bulge aus erstreckt. Der Balken ist wahrscheinlich eine Art Dichtewelle, ebenso wie die Spiralarme, die in der Lage sind, Gas aus den umliegenden Spiralarmen „anzusaugen“, aus dem dann neue Sterne entstehen können.

Dieses Gas kann auch ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie speisen, so dass sie sich in einen aktiven galaktischen Kern oder einen Quasar verwandelt.

Giganten des Universums: Elliptische Galaxien

Elliptische Galaxien sind, so glauben wir, das Ergebnis der Verschmelzung vieler kleiner (Proto-)Galaxien. Während dieser Kollisionen steigt die Sternentstehungsrate zunächst dramatisch an, und wir sehen einen oder mehrere „Starbursts“.

Die heftige Sternentstehung kann das meiste Gas auf einmal verbrauchen. Die Kollision selbst sowie Sternwinde und Supernovae blasen den Rest des Gases aus, so dass die Bildung neuer Sterne schwierig wird. So bleiben nur die alten Sterne übrig, und da alte Sterne rot-orange sind, ist dies die Farbe der meisten elliptischen Galaxien.

Dieses so genannte Quenching hinterlässt eine rote und „tote“ Galaxie.

Die größten Galaxien im Universum sind elliptisch und haben eine Masse, die bis zu zehnmal so groß ist wie die der Milchstraße. Diese galaktischen Monster befinden sich oft im Zentrum großer Galaxienhaufen, d.h. Ansammlungen von Hunderten oder Tausenden von Galaxien, die durch die Schwerkraft zusammengehalten werden.

… und dann gibt es noch all die anderen Arten von Galaxien

Einige Galaxien, vor allem die kleineren, sind weder elliptisch noch scheibenförmig, sondern haben eine ganz andere Form. Diese Galaxien werden irreguläre Galaxien genannt.

Die irreguläre Form ist oft auf Kollisionen oder Beinahe-Kollisionen mit anderen Galaxien zurückzuführen.

Irreguläre Galaxien sind typischerweise klein, da größere Galaxien besser in der Lage sind, den Erschütterungen und Erschütterungen durch andere Galaxien zu widerstehen.

Ein anderer Typ sind linsenförmige Galaxien, eine Art Kombination aus elliptischen und spiralförmigen: Sie weisen eine gewisse Spiralstruktur auf, aber auch einen deutlichen elliptischen Halo.

Je größer und massereicher eine Galaxie ist, desto seltener ist sie. Die meisten Galaxien sind also Zwerggalaxien, die dann weiter in Zwergspiralen, elliptische Zwerggalaxien, irreguläre Zwerggalaxien und sphäroidische Zwerggalaxien eingeteilt werden können.

Ringgalaxien haben genau wie Spiralgalaxien einen Bulge und eine größere stellare Ringstruktur. Sie könnten dadurch entstanden sein, dass eine andere Galaxie direkt durch eine Spiralgalaxie geflogen ist, aber sie sind sehr selten und daher nicht allzu gut erforscht.

Kürzlich haben Astronomen die bisher am weitesten entfernte dieser seltsamen Galaxien gefunden, mit Hinweisen auf einen kosmischen „Hit-and-Run“, der vor 11 Milliarden Jahren stattfand.

Wie diese rätselhaften Klumpen aus Sternen, Gas, Staub und dunkler Materie überhaupt entstanden sind, ist eine längere Geschichte, über die Sie in einem Folgeartikel hier auf ScienceNordic mehr lesen können.

Lesen Sie die dänische Version auf Forskerzonen von Videnskab.dk. Dank an Guarn Nissen für Anregungen und Korrekturen während meiner Übersetzung des Textes vom Dänischen ins Englische.

Peter Laursens Profil (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen)

Peter Laursens Homepage

‚The Evolving Interstellar Medium of Star-forming Galaxies since z = 2 as Probed by Their Infrared Spectral Energy Distributions‘, The Astrophysical Journal (2012), DOI: 10.1088/0004-637X/760/1/6

‚The dust-to-gas and dust-to-metal ratio in galaxies from z = 0 to 6‘, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz2684

‚Galaxy Zoo: unwinding the winding problem – observations of spiral bulge prominence and arm pitch angles suggest local spiral galaxies are winding‘, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz1153

‚Tracing the Stellar Mass in M51‘, Astrophysical Journal (1993), DOI: 10.1086/173376

‚A giant galaxy in the young Universe with a massive ring‘, Nature Astronomy (2020), DOI: 10.1038/s41550-020-1102-7