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Allgemein

Der galaktische Crash

Aus den alltäglichen Kollisionen von Galaxien entstehen massenhaft neue Sterne. Abenteuerliche Verformungen zeugen von den gewaltigen Kräften, die wirksam werden, wenn Galaxien zusammenstoßen. Nach dem großen Crash ist ein kosmischer Jungbrunnen für neue Sterne entstanden.

Lautlos und majestätisch rollen zwei Feuerräder aus Myriaden von Sternen aufeinander zu und beginnen sich in einem grazilen Tanz zu umkreisen. Zwei leuchtende Bänder lösen sich aus dem Schwung des funkelnden Duos und eilen ihm wie filigrane Schleier hinterher. Dann wird die unsichtbare Kraft übermächtig, die dieses kosmische Ballett dirigiert, und die rotierenden Spiralen greifen wie elastische Zahnräder ineinander, verbiegen sich und erstrahlen in einem galaktischen Glanz, der noch Äonen später viele Millionen Lichtjahre entfernte Astronomen erstaunen läßt.

Was die Wissenschaftler als poetische Momentaufnahme erleben, ist in Wirklichkeit ein Zusammenprall von unfaßlicher Wucht. Dabei werden Energien entfesselt und Massen bewegt, die unser Vorstellungsvermögen weit übertreffen. Daß bei diesem Crash auch einzelne Sterne miteinander kollidieren, ist allerdings extrem unwahrscheinlich. Denn Sterne sind in der Regel um das Hundertmillionenfache ihres Durchmessers voneinander entfernt – und die Abstände zwischen den Galaxien innerhalb eines Galaxienhaufens betragen nur das Zehn- bis Hundertfache ihres Durchmessers. Galaktische Karambolagen sind also etwa eine billionmal wahrscheinlicher als Sternkollisionen und sollten sich in großen Galaxienhaufen zu jeder Zeit mindestens in ein bis zwei Fällen beobachten lassen.

Manchmal durchbohrt eine Zwerggalaxie eine größere Spirale sogar. Bei solchen Volltreffern entstehen Ringgalaxien: Der Eindringling zieht Scheibensterne aus der Spirale in das vorübergehend massereichere Zentrum. Entfernt er sich wieder, verteilen sich die äußeren Sterne zu einem ringförmigen Gebilde, in dessen durchgeschüttelten Gaswolken neue Sterne geboren werden. Das berühmteste dieser kurzlebigen Objekte ist die Wagenrad-Galaxie im Sternbild Bildhauer. In ihrem Zentrum hat das Hubble-Teleskop vor kurzem mehrere 1000 Lichtjahre lange Schweife entdeckt. Es handelt sich wahrscheinlich um molekularen Wasserstoff, der mit langsameren Gaswolken zusammengeprallt ist und dabei auf über eine Million Grad Celsius erhitzt wurde.

Inzwischen kennt man Tausende wechselwirkende Galaxien: spiralförmige, elliptische oder irregulär geformte Galaxien, die so eng aneinander vorbeifliegen (oder -flogen) beziehungsweise streifend oder sogar frontal aufeinanderstießen, daß der gegenseitige Schwerkrafteinfluß ihr äußeres Erscheinungsbild drastisch verändert hat. Das ist bei etwa zwei Prozent der Galaxien in unserer kosmischen Umgebung der Fall.

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Das nächstgelegene Paar kollidierender Sterneninseln befindet sich im Sternbild Rabe in einer Entfernung von rund 63 Millionen Lichtjahren. Es handelt sich um NGC 4038 und NGC 4039, besser bekannt unter dem Namen Antennen-Galaxien. Diesen Namen erhielten sie aufgrund der beiden langgestreckten Gas- und Sternenbänder, die die Gravitation aus den Spiralen herausgerissen hat, und die an die Antennen (“Fühler”) von Insekten erinnern.

“Die Antennen-Galaxien sind das jüngste Beispiel einer kosmischen Kollision und daher ein exzellentes Studienobjekt”, schwärmt Franìois Schweizer von der Carnegie Institution in Washington, der sie zusammen mit anderen Astronomen unlängst mit dem Hubble-Weltraumteleskop genauer untersucht hat. Das hochempfindliche Instrument vermochte bis zu 15 Lichtjahre große Details in den Antennen-Galaxien aufzulösen. “Es ist, als sähe man bei einem Zusammenstoß zweier Autos zu”, kommentiert Stephen E. Zepf von der Yale University in New Haven im US-amerikanischen Bundesstaat Connecticut diese Leistung, von der Astronomen bis vor kurzem nur träumen konnten.

Die Forscher entdeckten in den Antennen-Galaxien über 1000 junge Kugelsternhaufen. Sie enthalten jeweils bis zu einer Million Sonnen und haben sich erst vor einigen hundert Millionen Jahren gebildet. Das ist eine Folge der Gezeitenkräfte, die eine galaktische Kollision mit sich bringt.

Bei der Wechselwirkung zwischen Galaxien als Ganzes spielt nicht die Schwerkraft selbst die entscheidende Rolle, sondern ihre unterschiedliche Auswirkung auf verschiedene Teile der Galaxien: Die einander zugewandten Regionen ziehen sich stärker an als die weiter abgelegenen Bereiche. Dadurch entstehen Gezeitenkräfte, die die Galaxien der Länge nach auseinanderzerren und verbiegen, und zwar auch dann, wenn sie nur aneinander vorüberziehen, ohne sich zu durchdringen.

Wie sich galaktische Kollisionen auswirken, hängt aber nicht nur von der Geometrie des Zusammenpralls ab, sondern auch von den Geschwindigkeiten. Bei 200 Kilometer pro Sekunde kommt es häufig zu einer Verschmelzung der beiden Galaxien, bei Relativgeschwindigkeiten von über 600 Kilometer pro Sekunde ziehen sie nach ihrem kosmischen Rendezvous in der Regel wieder von dannen. Bei besonders heftigen Kollisionen mit über 1000 Kilometer pro Sekunde fliegen die galaktischen Fetzen.

Bisher waren die Beobachtungsmethoden wohl zu unempfindlich, um solche kosmischen Trümmerstücke aufzuspüren. Doch vor wenigen Monaten haben Neil Trentham vom Institute of Astronomy in Cambridge und Bahram Mobasher vom Imperial College in London mit dem 2,2-Meter-Teleskop auf dem Mauna Kea, Hawaii, einen alleinstehenden Bogen aus Sternen und Gas entdeckt. Er ist 260000 Lichtjahre lang und befindet sich im Coma-Galaxienhaufen.

Die Astronomen vermuten, daß es sich um das Fragment einer Galaxie handelt, das ihr aufgrund einer engen Begegnung mit einer Nachbargalaxie entrissen worden ist. Meist bleiben die von den Gezeitenkräften herausgezerrten Strukturen wie lange Schwänze an ihren Heimatgalaxien haften – kollidierende Paare wie die Antennen-Galaxien werden deshalb auch Rattenschwanz-Galaxien genannt. Die Gezeitenkräfte sind nicht nur für die galaktischen Deformationen verantwortlich, sie bringen auch Bewegung in die Gas- und Staubwolken, die bei Spiralgalaxien bis zu 20 Prozent der sichtbaren Gesamtmasse ausmachen. Solchermaßen angestoßen, kollabieren Teile der Wolken und verdichten sich zu neuen Sternen. Diese Sternbildung verläuft so heftig, daß die durchgeschüttelten Galaxien ihre Rohstoffe geradezu verschwenderisch verheizen und deshalb ihre Helligkeit innerhalb weniger Jahrmillionen vervielfachen können – ein Phänomen, das die Astronomen “Starburst” nennen. Die kosmischen Karambolagen haben also keineswegs nur Zerstörung zur Folge, sondern dienen auch als galaktische Jungbrunnen.

Bei den Antennen-Galaxien können die Astronomen diese kosmische Verjüngungskur nun erstmals im Detail studieren. “Schon die Anzahl der Sternhaufen ist erstaunlich”, freut sich Brad Whitmore vom Space Telesope Science Institute in Baltimore, einer der Entdecker. Bislang ging man davon aus, daß Kugelsternhaufen, wie sie auch in und um unsere Milchstraße zu finden sind, aus den ältesten Sternen überhaupt bestehen. Offenbar ist dies nicht immer der Fall – eine Erkenntnis, die das Verständnis der späten Entwicklungsphasen von Sternen sowie kosmische Datierungen revidieren könnte. Das kosmische Feuerwerk in den Antennen-Galaxien ermöglicht auch genauere Rückschlüsse auf den Beginn und zeitlichen Verlauf von galaktischen Zusammenstößen.

Tatsächlich mehren sich in letzter Zeit die Indizien, daß die Kollisionen ein entscheidender Entwicklungsfaktor in der Geschichte des Weltalls sind. Früher gab es viel mehr miteinander wechselwirkende Galaxien als heute, da das Universum noch kleiner war, die Galaxien also viel dichter beisammenstanden. Kollisionen waren deshalb die Regel, nicht die Ausnahme. Die Astronomen können inzwischen über 90 Prozent der Entwicklungszeit des Universums mit ihren Teleskopen beobachten. Denn ein Blick hinaus in den Raum ist aufgrund der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit auch ein Blick zurück in die kosmische Vergangenheit – die fernsten Objekte sind zugleich die jüngsten im Universum.

Die Sternbildung im frühen Universum nahm ab etwa einer Milliarde Jahre nach dem Urknall rapide zu und erreichte ein bis zwei Milliarden Jahre später ein Maximum: das Zehnfache der Sternbildung in unserer Milchstraße heute. Seither ging die Zahl der Starbursts ständig zurück, und in unserer näheren kosmischen Umgebung sind sie eine Seltenheit.

“Null” hatten Peter A. Shaver von der Europäischen Südsternwarte in Garching und seine Mitarbeiter schon 1996 für die Anzahl von Quasaren errechnet. Quasare sind die superhellen Zentren junger Galaxien, deren Energie vom Einsturz großer Mengen an Gas und Staub in ein riesiges Schwarzes Loch stammt (“Die feurige Jugend der Galaxien”, bild der wissenschaft 6/1997).

Die neuen Befunde stützen sogenannte hierarchische Entwicklungsmodelle. Danach formten sich zunächst kleinere Strukturen im Kosmos, die sich dann allmählich zu größeren Gebilden zusammenschlossen. Sternhaufen entstanden demnach vor den Galaxien, und diese gruppierten sich aufgrund ihrer Schwerkraft erst später zu Galaxienhaufen.

“Galaxienbildung ist ein längerer Prozeß, kein kurzes Ereignis”, sagt Prof. Simon White vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und kritisiert damit die noch immer verbreitete Vorstellung, die Galaxien hätten sich schon sehr früh aus dem Kollaps einzelner, großer Urgaswolken gebildet.

Dieser Auffassung zufolge sollen sich die Elliptischen Galaxien schon bald nach dem Urknall aus nicht rotierenden Gaswolken gebildet haben. In kurzer Zeit sollen damals viele massereiche Sterne entstanden sein, die bald als Supernova explodierten. Übrig blieben langlebige Zwergsterne. Weil das Rohmaterial rasch verbraucht war, konnten sich kaum mehr neue Sterne bilden. Deshalb erscheinen uns die Elliptischen Galaxien heute als sehr alt.

Die spiralförmigen Galaxien sollen demgegenüber aus Gaswolken entstanden sein, die rotierten und sich deswegen scheibenförmig abgeplattet haben. Aufgrund der Drehung bildeten sich die Sterne in den Scheiben langsamer als im Zentralbereich, der sich ähnlich wie die Elliptischen Galaxien entwickelte.

Diese Hypothesen wurden von den Gebrüdern Alar und Juri Toomre allerdings bereits in den siebziger Jahren in Frage gestellt. Ihre Computersimulationen am Goddard-Institut für Weltraumforschung der NASA erzeugten immer wieder Elliptische Galaxien aus der Verschmelzung von zwei oder mehreren Spiralen.

Die meisten Astronomen hielten zunächst nicht viel von diesen Resultaten. Eine Ausnahme war der aus Bern stammende Franìois Schweizer. Er untersuchte die 300 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie NGC 7252. Sie zeigt eine Galaxienkollision in der Endphase und besitzt zwei Schweife. Schweizer entdeckte, daß sich im Zentrum der Galaxie NGC 7252 eine rotierende Scheibe befindet, die von weiter außerhalb gelegenen Sternen in entgegengesetzter Richtung umkreist wird. Die äußersten Sterne der Galaxie haben jedoch denselben Umlaufsinn wie die Zentralsterne. NGC 7252 ist ein Kollisionsprodukt zweier Spiralgalaxien von der Größe unserer Milchstraße, die vor etwa einer Milliarde Jahre miteinander zu verschmelzen begannen.

Für Schweizer ist NGC 7252 ein Musterbeispiel für die Anfangsphase der Entstehung einer Elliptischen Galaxie. Mittlerweile haben zahlreiche Forschergruppen nachgewiesen, daß sich bei mindestens jeder dritten Elliptischen Galaxie die zentralen Sterne anders bewegen als die übrigen. Dabei kann es sich nicht um die Überreste einer verschluckten Zwerggalaxie handeln, denn diese hätte sich rasch aufgelöst.

Vielleicht reicht auch schon ein rasanter Vorbeiflug einer Galaxie, um eine andere in eine Elliptische zu verwandelt. Zumindest in Computersimulationen ist ein solcher Strukturwandel möglich. Weil die Gezeitenkräfte bei einem solchen heftigen Rendezvous die Galaxien regelrecht durchkneten, nennen die Forscher diesen Vorgang “galaktische Quälerei”.

Dafür, daß Elliptische Galaxien nicht die ältesten Galaxien im All sind, sprechen auch Beobachtungen, die zeigen, daß viele Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxienhaufen von Spiralgalaxien dominiert werden. Näher gelegene Haufen enthalten dagegen hauptsächlich Elliptische Galaxien. Manche von ihnen zählen zu den größten Galaxien überhaupt. Wahrscheinlich haben sie im Verlauf einiger Milliarden Jahre Dutzende anderer Galaxien verschlungen.

Für diesen erstmals von Jeremiah Ostriker an der Princeton University vermuteten Prozeß hat sich unter den Astronomen inzwischen die Bezeichnung “galaktischer Kannibalismus” eingebürgert. Schon in der Jugendphase des Universums dürfte er für die Evolution der Galaxien entscheidend gewesen sein. Auch heute zeugen Doppel- und Mehrfachkerne in manchen Galaxien noch von deren Gefräßigkeit.

Ein weiteres Indiz gegen eine unabhängige Entstehung von Spiral- und Elliptischen Galaxien hat vor wenigen Monaten Stephen Zepf veröffentlicht. Seine Auswertung des Hubble Deep Fields und zahlreicher Infrarotaufnahmen von erdgebundenen Teleskopen ergab, daß in weit entfernten Regionen des Weltalls viel weniger Elliptische Galaxien zu sehen sind, als es nach herkömmlicher Auffassung von ihrem frühen Ursprung behauptet wird. Zepfs Schlußfolgerung: “Entweder sind die Ellipsen später entstanden, und ihre Sternbildung bleibt uns aufgrund von Staubmassen in ihrer Umgebung verborgen, oder sie formten sich aus der Verschmelzung kleiner Galaxien.”

Aber nicht nur die Vergangenheit war von den kosmischen Karambolagen geprägt. Die Antennen-Galaxien lassen heute schon ahnen, was unserer Milchstraße in Zukunft geschehen könnte. Gegenwärtig rasen sie und der 2,9 Millionen Lichtjahre entfernte Andromedanebel mit rund 300 Kilometer pro Sekunde aufeinander zu.

Ob es in drei Milliarden Jahren zu einer Kollision kommt oder nur zu einem nahen Vorbeiflug, läßt sich gegenwärtig noch nicht entscheiden. Dazu müssen die Bewegungsrichtungen der beiden Galaxien noch genauer bestimmt werden. Doch selbst bei einem Streifschuß wird die Schwereanziehung den Andromedanebel wahrscheinlich nicht freigeben, sondern auf eine U-förmige Bahn zwingen, die ihn binnen 100 Millionen Jahre zurückbringt. Danach werden die beiden Sterneninseln miteinander verschmelzen und vielleicht eine neue Elliptische Galaxie erzeugen.

Die Sonne wird dann bereits ein sterbender Stern sein. Aber am Firmament über der Erde – einem von der vorübergehend heißeren Sonne längst ausgedörrten, toten Planeten – werden neugeborene Kugelsternhaufen in gleißendem Licht prangen und eines Tages vielleicht selbst eine Heimstätte für neugierige Astronomen sein.

Crash im Computer

Galaxien-Kollisionen sind ein langwieriger Prozeß. Um ihn zu entschlüsseln, ist mehr nötig als ein Teleskop. Computer haben bestimmte Einzelfälle – verschiedene Massen und Geschwindigkeiten, streifender oder frontaler Zusammenstoß – berechnet, zum Beispiel für die 13 Millionen Lichtjahre entfernte Feuerrad-Galaxie M51 (Foto rechts) im Sternbild Jagdhunde. Die vier “Momentaufnahmen” unten zeigen, wie die kleinere Galaxie NGC 5195 an der großen Galaxie M51 vorbeizog.

Rüdiger Vaas

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ka|to|disch  〈Adj.; El.; Phys.〉 auf einer Katode beruhend, an ihr stattfindend; oV kathodisch … mehr

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