Astronomisches Grundwissen 10: Galaxienentwicklung, Dunkle Energie, Ausblick

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… aber nicht einfacher
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Dieser Blogbeitrag ist der letzte Teil einer zehnteiligen Serie, die astronomisches Grundwissen vermitteln soll. Alle Beiträge auf einen Blick:

  1. Nachthimmel, Lichtverschmutzung, Beobachtungen
  2. Bilder, Spektren, Einfluss der Atmosphäre, Entfernungen
  3. Unser Sonnensystem
  4. Die Sonne und andere Sterne
  5. Das Leben der Sterne
  6. Exoplaneten
  7. Die Milchstraße und andere Galaxien
  8. Kosmische Strahlung, Gravitationslinsen, großräumige Struktur
  9. Kosmische Expansion und Urknall
  10. Galaxienentwicklung, Dunkle Energie und Ausblick

Näheres zur Motivation der Serie und dazu, was ich unter astronomischem Grundwissen verstehe, findet sich hier in Teil 1.


Galaktischer Kannibalismus

Entlang der kleineren Verdichtungen des Skeletts aus Dunkler Materie entstanden die frühesten Galaxien, wahrscheinlich ähnlich heutigen Zwerggalaxien. Im Laufe der Milliarden Jahre wachsen die Galaxien immer weiter, indem sie miteinander verschmelzen. Art und Eigenschaften solcher Verschmelzungen bestimmen als entscheidender Faktor das Aussehen der wachsenden Galaxie.

Unsere Milchstraße und ähnliche Galaxien sind offenbar entstanden, weil sie sich im Laufe der Zeit wieder und wieder Zwerggalaxien einverleibt haben. Zunächst werden die Zwerggalaxien dabei durch Gezeiteneffekte – die Schwerkraft der Milchstraße wirkt auf einige ihrer Regionen stärker als auf andere – zu einem sogenannten Sternenstrom auseinandergezogen. Die meisten solcher Sternströme unserer Heimatgalaxie sind erst im Laufe der letzten zehn Jahre entdeckt worden; hier dürften genauere Durchmusterungen der nächsten Jahre noch deutliche Verständnisfortschritte liefern. Mehr als eine Handvoll von Sternströmen außerhalb unserer Milchstraße sind erst seit 2010 bekannt; ein Beispiel zeigt das folgende Bild (Bild: R. Jay Gabany [Blackbird Obs.] in Zusammenarbeit mit D. Martínez-Delgado [MPIA und IAC] et al.):

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Der innerste Teil des Bildes, die helle Spiralgalaxie, ist dabei relativ farbtreu. Die schwachen Außenregionen sind dagegen als Negativ dargestellt – die leuchtenden Sterne sind darauf schwarz zu sehen, der dunkle Himmelshintergrund weißlich. In so einer Negativdarstellung sieht man schwache Strukturen deutlicher als sonst; hier werden, noch extra kontrastverstärkt, die bogenartigen Strukturen sichtbar (insbesondere links oben), mit denen sich ein Sternstrom, Rest einer Zwerggalaxie, um die Spiralgalaxie M 63 legt. In ein paar Milliarden Jahren wird die Spiralgalaxie die Sterne vollständig integriert haben.

Weit spektakulärere Bilder entstehen, wenn zwei bereits recht große Galaxien miteinander verschmelzen. Dieses Beispiel hier trägt den Spitznamen “Die Mäuse”: Zwei Galaxien, die als Zwischenergebnis ihres Verschmelzungstanzes lange Schwänze hinter sich herziehen – wie die namensgebenden Mäuse eben (Bild: NASA, H. Ford [JHU], G. Illingworth [UCSC/LO], M.Clampin [STScI], G. Hartig [STScI], das ACS Science Team und ESA):

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Wie solch ein Erscheinungsbild durch den majestätischen, über Milliarden Jahre hinweg vollzogenen Tanz der beteiligten Galaxien zustandekommt, zeigen entsprechende Simulationen, bei denen die Astronomen die beiden Galaxien aus hunderten von Millionen virtuellen Teilchen nachbauen und diese dann über ihre gegenseitige simulierte Schwerkraft aufeinander wirken lassen (Animation: John Dubinski):

Am Ende entstehen bei solchen großen Verschmelzungen die eher langweilig aussehenden, weitgehend strukturlosen elliptischen Galaxien. Diese finden sich dementsprechend eher in stattlichen Galaxienhaufen, wo die Wahrscheinlichkeit für derartige Zusammenstöße größer ist als anderswo.

Nicht nur die Form von Galaxien ist von Interesse, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der sich in ihnen neue Sterne bilden. Unser Bild von der Logistik, wie und wann genau das zur Sternentstehung nötige kühle Gas in welcher Menge vorhanden ist und wie die Gasflüsse innerhalb (vielleicht sogar außerhalb) der Galaxie dazu beitragen, ist noch längst nicht vollständig. Gesichert scheint der allgemeine Verlauf, mit einer geringeren durchschnittlichen Sternentstehungsrate am Anfang, einer besonders aktiven Phase, als das Universum knapp halb so alt war wie heute, und einer steten Abnahme der Sternentstehungsrate seither. Wie kam das im einzelnen zustande? Welche Rolle spielen Rückkopplungsprozesse – insbesondere der Umstand, dass massereiche Sterne, die an ihrem Lebensende als Supernova explodieren, dabei Material aus der Galaxie herauspusten, das dann (oder nur zunächst) nicht mehr für die Entstehung neuer Sterne verwendet werden kann?

Bestimmte Ereignisse können Phasen besonders intensiver Sternentstehung verursachen, sogenannte Starbursts. Wichtigstes Beispiel sind die erwähnten Verschmelzungen großer Galaxien, in deren Verlauf gewaltige Mengen neuer Sterne entstehen. In dem folgenden fast echtfarbenem Bild, welches das Zentralgebiet der als Antennengalaxien bekannten Verschmelzung darstellt, zeigt Magenta das Licht angeregten Wasserstoffs an und kennzeichnet damit typischerweise Sternentstehungsgebiete mit jungen Sternen die sehr energiereich strahlen (NASA, ESA und die Hubble Heritage Team [STScI/AURA]-ESA/Hubble Collaboration):

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Ist nach der Verschmelzung eine elliptische Galaxie entstanden, so sind die Rohmaterialien zur Sternentstehung durch den Starburst so gut wie verbraucht. Elliptische Galaxien haben daher typischerweise eine rötlich-gelbliche Farbe, bestimmt vorwiegend durch das Licht bereits etwas älterer Sterne. Neue Sterne entstehen dort kaum noch.

Und dann wären da noch die supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien. Welche Rolle spielen sie? Aktive Schwarze Löcher heizen das Gas der Galaxie auf – verhindert das weitere Sternentwicklung? Sterne entstehen ja, wenn Teilregionen von Gaswolken kollabieren, und das funktioniert nur, wenn das Gas hinreichend kalt ist. Umgekehrt: Wie wirkt sich die Evolution der Galaxie, wie wirken sich etwaige Verschmelzungen darauf aus, wann einem supermassereichen Schwarzen Loch Materie zugeführt wird, so dass ein aktiver Galaxienkern entsteht?

Wie die Antworten auf all diese Fragen lauten und wie die verschiedenen Aspekte der Galaxienentwicklung zusammenspielen: All das ist Gegenstand aktueller und hochinteressanter Forschung.

Dunkle Energie

Auch im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie, auf der ja die aktuellen kosmologischen Modelle fußen, würde man erwarten, dass die Expansion des Kosmos durch die gegenseitige Gravitationsanziehung der darin enthaltenen Galaxien abgebremst wird.

Um diese Abbremsung zu messen muss man den Zusammenhang zwischen Abstand und kosmologischer Rotverschiebung für eine große Anzahl ziemlich weit entfernter Galaxien bestimmen – der interessante Bereich beginnt bei etwa z=0,5 (das Licht dieser Objekte benötigt 5 Milliarden Jahre, uns zu erreichen). Die Entfernungsbestimmung derart ferner Galaxien ist nicht einfach. Ende der 1990er Jahre klappte es endlich – mit Hilfe sogenannter Supernovae vom Typ Ia, oben schon kurz erwähnt. Bei solchen Supernovae lässt sich daraus, wie schnell sie aufleuchten und dann wieder schwächer werden, direkt erschließen, wie stark sie leuchten. Aus dem Vergleich mit der direkt beobachteten scheinbaren Helligkeit in direkten Beobachtungen des Objekts ergibt sich die Entfernung – je weiter ein Objekt von uns entfernt ist, desto leuchtschwächer erscheint es uns.

Das Ergebnis solcher Untersuchungen war ganz anders als erwartet. Anstatt einer Abbremsung, eines Langsamerwerdens der Expansion fanden zwei Forschergruppen unabhängig voneinander, dass die Expansion im Gegenteil beschleunigte! Veröffentlicht wurden diese Ergebnisse 1998, und 2011 gab es dafür den Physik-Nobelpreis.

Diese Beschleunigung in die Modelle einzuführen ist einfach. In der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es dafür die sogenannte, zunächst unbestimmte kosmologische Konstante, eine Art dem Raum innewohnender Ausdehnungs- oder Zusammenziehungstendenz. Alternativ kann man das Phänomen auch als eine Art Energie beschreiben, die ganz bestimmte Eigenschaften hat – positive Energiedichte, negativen Druck. Letztere wird Dunkle Energie genannt. Im Vergleich zu den anderen Energieformen ist die Dunkle Energie im heutigen Kosmos weitaus dominant: Auf sie entfallen 71% der gesamten Energiedichte im Kosmos; auf die Dunkle Materie 24% und auf die herkömmliche Materie knapp 5%. (Genauer habe ich das vor rund einem Jahr in meinem Blogbeitrag Kosmische Bestandsaufnahme aufgeschlüsselt.)

Allzuviel mehr ist über die Dunkle Energie allerdings nicht bekannt. Entspricht sie wirklich einer Konstanten, oder kann sie sich mit der Zeit ändern oder von Region zu Region variieren? (Eine “variierende Dunkle Energie” haben die Physiker “Quintessenz” getauft.) Lässt sie sich irgendwie auf ein grundlegenderes Phänomen zurückführen? Oder ist sie, auch das ist vorgeschlagen worden, ein Artefakt des Umstandes, dass wir das Universum anhand homogener Modelle beschreiben, während die dafür nötige Durchschnittsbildung (“das Universum ist auf großen Größenskalen homogen”) in der Allgemeinen Relativitätstheorie vom Konzept her gar nicht so unproblematisch ist?

Genaueres weiß man derzeit nicht. Hier bleibt gehörig etwas zu tun. Neue Beobachtungen, etwa durch das im Bau befindliche Weltraumteleskop EUCLID, sollen helfen, die Dunkle Energie besser zu charakterisieren und herauszufinden, ob ihre Dichte tatsächlich konstant ist. Und die Theoretiker machen hoffentlich auch noch einiges an Fortschritten. Derzeit ist die Lage durchaus unklar.

Das Schicksal des Universums

Was passiert langfristig im Universum? Wenn unsere jetzige Beschreibung sich soweit extrapolieren lässt, dann gilt: Auf der Größenskala der Galaxien und noch größeren Strukturen treibt die kosmische Expansion die Materie immer weiter auseinander. In rund 100 Milliarden Jahren ist im sichtbaren Licht keinerlei Galaxie mehr zu sehen. Wenn solche Galaxien weiterhin Licht in unsere Richtung aussenden, expandiert der Raum, den es auf ihrem Weg überwinden muss, schneller, als ihn das Licht überwinden kann. Ist das Wissen darüber, dass es außer unserer Heimatgalaxie noch andere Galaxien gibt, bis dahin verlorengegangen, haben die Wissenschaftler jener Zeit keine Chance, es durch astronomische Beobachtungen wieder zu gewinnen.

Die Gasreservoirs, aus denen sich neue Sterne bilden können, werden auch irgendwann erschöpft sein. Die bereits entstandenen Sterne brennen aus. Ihre Sternleichen kühlen immer weiter ab. Auf ihren Wegen durch die Galaxien kommt es immer wieder einmal vor, dass ein Stern oder eine Sternleiche bei einem Beinahe-Zusammenstoß hinauskatapultiert wird – so verlieren die Galaxien langsam an Substanz. Selbst Schwarze Löcher zerstrahlen auf unvorstellbar großen Größenskalen vermittels der sogenannten Hawking-Strahlung. Allmählich wird das Universum kalt und dunkel, die verbliebenen Objekte darin vereinsamen, alle Lebewesen sind mit überwältigender Wahrscheinlichkeit tot. The end.

Ausblick

Damit ist unsere Besichtigungstour durch die Hallen der heutigen Astronomie in leicht morbider Weise abgeschlossen, unser Inventar kosmischer Objekte und Phänomene komplett. Wer einen Überblick hat, wie ich ihn hier zu bieten versucht habe, sollte einigermaßen zutreffend einordnen können, was er oder sie über Astronomie in den Zeitungen oder im Internet liest.

Die hier geschilderten Ergebnisse geben auch Hinweise, worauf es sich bei der Weiterentwicklung der Astronomie zu achten lohnt. Der erste direkte Nachweis einer “zweiten Erde” dürfte uns da erwarten, ebenso wie schließlich der Nachweis von Leben auf einem anderen Planeten. Dunkle Materie und Dunkle Energie harren weiterer Entdeckungen – insbesondere auch solcher in den Experimenten der Teilchenphysiker.

Neben den punktuellen Entdeckungen stehen die längerfristigen Entwicklungen. Die Abläufe von Stern- und Planetenentstehung, die Entwicklung von Galaxien über Milliarden Jahre hinweg inklusive Sternentstehung und Rolle der zentralen Schwarzen Löcher, das sind Felder der Astronomie, die für die nächsten zehn Jahre große Fortschritte versprechen. Wer nur die täglichen Meldungen anlässlich der diversen Pressemitteilungen astronomischer Institute verfolgt, läuft Gefahr, in Bezug auf solche Entwicklungen den Wald vor lauter Bäumen nicht zu sehen; da ist dann der nicht-tagesaktuelle Wissenschaftsjournalismus gefragt.

Mindestens ebenso interessant werden die unvorhergesehenen Entdeckungen sein, die auf uns warten. Wir wissen zwar per Definition nicht, worin die bestehen werden. Aber die Erfahrung zeigt, dass solche völlig neuen Entdeckungen typischerweise dann gemacht werden, wenn Astronomen ein ganz neues Fenster zum Universum aufstoßen – die ersten Beobachtungen der Radioastronomen, der Röntgen- oder Gammaastronomen sind Beispiele dafür.

Mindestens zwei neue Fenster erwarten uns. Das eine wird sich mit dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen öffnen (ich habe es in einem Buch gleichen Titels das “Einstein-Fenster” genannt). Gravitationswellenastronomie verspricht “Einblick” in ansonsten nicht direkt zugängliche Bereiche: das Innerste von Supernovaexplosionen, die Verschmelzung von Neutronensternen und (bzw. zu) Schwarzen Löchern, das frühe Universum vor der Freisetzung der kosmischen Hintergrundstrahlung. Der Zeitplan kann sich bei so komplexen Detektoren immer noch einmal verschieben; möglich ist aber durchaus, dass wir in ein, zwei Jahren über  entsprechende Ergebnisse berichtet bekommen.

Ein Fenster anderer Art werden Durchmusterungen wie die von Pan-STARRS oder dem “Large Synoptic Survey Telescope” (LSST) sein, die fast den gesamten Himmel wieder und wieder abbilden, beim LSST sogar zweimal pro Woche. Damit dürften den Astronomen nicht nur sehr seltene Ereignisse ins Netz gehen, die bislang schlicht übersehen wurden, sondern auch langfristige und komplexe zeitliche Entwicklungen werden sichtbar – und zeigen uns unter Umständen ganz neue Eigenschaften unseres Kosmos.

Neben den ganz neuen Fenstern stehen “konventionellere” Entwicklungen, die aber nicht minder interessante Ergebnisse verspechen: Riesenteleskope wie das amerikanische Giant Magellan Telescope aus 7 8,4-Meter-Spiegeln, das gleichfalls amerikanische Thirty Meter Teleskop (TMT) oder das European Extremely Large Telescope (E-ELT) der Europäischen Südsternwarte mit fast 40 Metern Öffnung, der Hubble-Nachfolger James Webb Space Telescope und viele kleinere, spezialisierte Missionen. Das gigantische Radioantennenfeld Square Kilometer Array (SKA) mit einem Quadratkilometer Sammelfläche und bei noch niedrigeren Radiofrequenzen das deutsch-niederländische LOFAR. Am anderen Ende das Cerenkov Telescope Array (CTA) zum (indirekten) Nachweis höchstenergetischer Gammastrahlung.

Immer komplettere Durchmusterungen mit immer größerer Empfindlichkeit und in verschiedensten Wellenlängenbereichen werden Unmengen von Daten liefern – so viele Daten, dass heute auch die Frage, wie man unter solchen Bedingungen effektive Forschung betreiben kann, kontrovers diskutiert wird. Eine Mission wie der ESA-Satellit Gaia beispielsweise, der noch in diesem Jahr starten soll, verspricht hochgenaue Positionen, Bewegungsdaten und Farben für eine Milliarde Sterne – und damit ein so vollständiges Bild von der Dynamik unserer Heimatgalaxie wie nie zuvor. Parallel wächst die Komplexität und wächst der Realismus der Computersimulationen, mit denen sich die Brücke zwischen grundlegenden physikalischen Gesetzen einerseits und astronomischen Beobachtungen andererseits schlagen lässt.

Die astronomische Forschung wird noch für eine gehörige Weile spannend bleiben.

 


Ich danke meinen Kollegen Carolin Liefke und Jakob Staude für hilfreiche Anmerkungen zu diesem Text.

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

3 Kommentare

  1. dunkle Energie

    ich stelle sie mir wie ein Gitter vor. Sie wechselwirkt mit der Masse. Im Universum mit einer “normalen” Dichte wäre das Gitter
    konstant (nur nicht bei grossen Massen). Nimmt am “Rand des Universums” die Dichte ab, wird das Gitter auseinandergezogen. Das zwingt die Materie zur Beschleunigung.

    Wie gesagt: so stelle ich mir das vor…

  2. Toller Blog, reichlich viele Informationen und Einblicke wurden hier gewährt. Mehr ist dazu nicht zu sagen ;)!

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