Methusalem im Universum

„Und die Sterne, immer größer, / Glühen auf mit Lustgewimmel, / Und am Ende, groß wie Sonnen / Schweifen sie umher am Himmel“, dichtete einst Heinrich Heine. Und er hatte recht, wie die die Astronomen inzwischen wissen. Sie haben genaue Vorstellungen davon, wie sich Sterne entwickeln: Wie sie sich aus kosmischem Gas verdichten, wie sie aufglühen, wenn Druck und Temperatur in ihrem Zentrum die Kernfusion ermöglichen, wie lange sie brennen und wie sie sich dann zu Riesen aufblähen und enden. Kugelsternhaufen haben viel zu diesem Wissen beigetragen, denn sie sind ein ideales „Labor“, um solche Vorgänge zu studieren, weil ihre Sterne fast gleichzeitig entstanden sind und auch ungefähr dieselbe Entfernung von uns haben. Doch die Bildung der Haufen wirft noch viele Fragen auf.

Ein Kugelsternhaufen ist gewissermaßen ein Methusalem im Kosmos, denn seine Sterne sind uralt. Lange galten die Haufen als Fossilien aus der Frühzeit des Universums. Weil sie nicht nur innerhalb von Galaxien leuchten, sondern diese auch weiträumig umgeben, wurden sie als Relikte riesiger Urgaswolken angesehen, die unter ihrer eigenen Schwerkraft zu jeweils einer Galaxie kollabiert seien. Und aus lokalen Verdichtungen ringsum hätten sich autonom die Kugelsternhaufen gebildet, deren Bahnen die Form der ursprünglichen Gaswolke bis heute nachzeichnen.

Doch dieses Kollaps-Szenario kann nicht die ganze Wahrheit sein – und ist vielleicht nicht einmal die halbe. Modellrechnungen, Computersimulationen und vor allem viele Erkenntnisse, die Astronomen mithilfe der neuen Superteleskope in den letzten Jahren gewonnen haben, machen deutlich, dass es viel turbulenter zuging im frühen Universum. Das Hubble-Weltraumteleskop sowie die 8- und 10-Meter-Teleskope in Chile und Hawaii ermöglichen es, auch extragalaktische Kugelsternhaufen recht detailliert zu studieren – zumindest die hellsten in Entfernungen bis zu knapp 100 Millionen Lichtjahren. Das überwindet die Einschränkung auf galaktische Kugelsternhaufen, mit deren Erforschung sich die Astronomen bislang meist begnügen mussten.

„In den letzten Jahren gab es eine Revolution in der Erforschung extragalaktischer Kugelsternhaufen“, sagt Jean Brodie vom Lick Observatory in Kalifornien. „Wir haben jetzt solche Haufen bei allen Arten von Galaxien gefunden – von den Zwerggalaxien bis zu den Elliptischen Riesengalaxien.“ Dass auch Zwerggalaxien Kugelsternhaufen besitzen, verwundert die Astronomen, denn es passt nicht ins klassische Bild der Haufenentstehung.

Beispiele sind die Fornax- und die Sagittarius-Galaxie mit mindestens fünf Haufen und die Zwerggalaxie im Sternbild Großer Hund mit mindestens vier Haufen: Jeweils eine Hälfte davon ist signifikant jünger als die andere, was belegt, dass nicht alle Kugelsternhaufen uralt sind. Nur sehr massearme Zwerge wie Leo I scheinen haufenlos zu sein. Gaswolken aus 10 bis 100 Millionen Sonnenmassen dürften genügen, um Kugelsternhaufen hervorzubringen. Ob die dann allein oder gruppenweise entstehen, ist unklar.

Inzwischen sind sich die Astronomen einig, dass sich die Bildung der Kugelsternhaufen nicht unabhängig von der Entwicklung der Galaxien verstehen lässt. Über Details streiten sie aber noch. „Kugelsternhaufen können auf verschiedenen Wegen entstanden sein – als ganze Objekte oder durch Zusammenballung von kleineren Einheiten“, sagt Tom Richtler von der Universidad de Concepción in Chile.

Richtler ist einer der führenden Kugelsternhaufen-Experten der Welt. In wenigen Worten fasst er die großen Umbrüche in seinem Forschungsgebiet zusammen, die sich die Astronomen noch vor wenigen Jahren nicht hätten träumen lassen: „Kugelsternhaufen haben den Ruf, sich alle ähnlich zu sehen. Aber sie sind sehr inhomogen hinsichtlich ihrer inneren Eigenschaften. In Masse, Zusammensetzung, Alter und Dichte variieren sie über mehrere Größenordnungen. Sie sind in allen Galaxientypen zu finden. Und im Gegensatz zu dem, was man bisher dachte, sind Kugelsternhaufen nicht nur Überbleibsel aus dem frühen Universum, sondern sie haben sich auch immer wieder in Galaxien gebildet und tun dies bis heute.“

Schon die Zwerggalaxien zeigen, dass das herkömmliche Kollaps-Szenario nicht alles erklären kann. Für erste Irritationen hatte bereits 1975 Sidney van den Bergh gesorgt. Der Astronom am Dominion Astrophysical Observatory in Kanada hatte beobachtet, dass die Große Magellan’sche Wolke ein paar Kugelsternhaufen besitzt, die viel jünger sind als die der Milchstraße. Sie können also nicht aus der kosmischen Frühzeit stammen. Ihr Alter beträgt etwa drei Milliarden Jahre, aber bei unserer 170 000 Lichtjahre entfernten Nachbargalaxie kommen auch noch viel ältere vor.

In den Neunzigerjahren wurde dann immer deutlicher, dass es zwei Klassen von Kugelsternhaufen gibt, die die Milchstraße und andere Galaxien umkreisen. Astronomen sprechen von einer „ Bimodalität“: Die Mehrzahl der Haufen ist alt, bläulich und arm an schwereren Elementen als Helium – aber es gibt auch jüngere Haufen, die etwas rötlicher sind und einen größeren Gehalt an schwereren Elementen haben. Diese bimodale Farbverteilung findet sich bei den Haufen fast aller Galaxien, die Astronomen genau analysiert haben. Tatsächlich kennen sie keine massereiche Elliptische Galaxie, die nicht diese zwei Gruppen von Kugelhaufen um sich schart. „Das deutet auf verschiedene Epochen und/oder verschiedene Mechanismen ihrer Bildung hin“, sagt Jean Brodie.

Die bläulichen Haufen scheinen sehr früh im Universum entstanden zu sein, vor mehr als zehn Milliarden Jahren. Die ältesten bekannten Sterne sind sogar 12 bis 13 Milliarden Jahre alt – sie hatten sich also schon bald nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren gebildet. Das geschah in lokalen Verdichtungen im Urgas, das nach dem Urknall den ganzen Raum fast gleichförmig ausfüllte. Das Gas war aber nur eine Komponente – eine größere Masse entfiel auf die Dunkle Materie, die nicht elektromagnetisch wechselwirkt und vermutlich aus noch unbekannten Elementarteilchen besteht.

Der CDM-Kosmologie („Cold Dark Matter“) zufolge, die Jim Peebles von der Princeton University und viele andere Kosmologen ab Mitte der Achtzigerjahre ausgearbeitet haben, waren die Ausgangsorte der Sternentstehung Wolken von etwa 100 Millionen Sonnenmassen an Dunkler Materie und einigen Millionen Sonnenmassen an Wasserstoff und Helium. Während die Galaxien, auch die Zwerggalaxien, bis heute in einen Halo aus Dunkler Materie gehüllt sind, haben sich die frühen Kugelsternhaufen dieser geisterhaften Elementarteilchen irgendwie entledigt – heute scheinen sie zumindest keine mehr zu enthalten.

Da die Beobachtungsdaten gegen eine kontinuierliche Altersverteilung der ersten Kugelsternhaufen-Generation sprechen, muss ein überall wirkender Mechanismus dafür gesorgt haben, dass recht plötzlich keine Kugelsternhaufen mehr entstanden sind. Verantwortlich dafür war wahrscheinlich die „Reionisation“: In dieser frühen Epoche gab es genug heiße Sterne, deren energiereiche Ultraviolett-Strahlung das kosmische Gas ionisiert hat – den Atomen also die Elektronen raubte, die für eine Weile dann ungebunden herumflogen. Von „Reionisation“ sprechen die Astronomen, weil das Gas schon früher einmal, noch von der Hitze des Urknalls her, ionisiert war. Die Atome entstanden erst durch den Einfang der freien Elektronen, als die Temperatur des Weltraums – bedingt durch seine stetige Ausdehnung – unter etwa 4000 Grad gefallen war. Die vorübergehende Reionisation des Gases durch die ersten Sterne verhinderte dann einen weiteren Kollaps, sodass die Sternbildung fürs Erste unterbrochen wurde. Dieses Szenario erhärtete Kenji Bekki von der University of New South Wales in Sydney kürzlich mit detaillierten Computersimulationen. Insofern sind die ältesten Kugelsternhaufen tatsächlich eine fossile Überlieferung der dynamischen und chemischen Geschichte des frühen Universums mitsamt seinen Urgalaxien.

Was weiter geschah, ist unter Astronomen umstritten. Denn die Galaxienentstehung und -entwicklung erscheinen heute viel komplizierter als noch vor 20 Jahren. Dass Wechselwirkung, Kollision und Verschmelzung von Galaxien eine wichtige Rolle bei der Kugelsternhaufen-Entstehung spielen, ist in den letzten Jahren immer deutlicher geworden (bild der wissenschaft 4/1998, „ Der galaktische Crash“). Einer der Astronomen, die diese Auffassung gegen einige Widerstände durchgesetzt haben, ist François Schweizer von den Carnegie Observatories im kalifornischen Pasadena. Er hatte zudem bereits in den Achtzigerjahren vermutet, dass sich bei solchen galaktischen Zusammenstößen, die viel Gas aufwirbeln und verdichten können, auch Kugelsternhaufen bilden.

Mehr noch: Die Elliptischen Riesengalaxien, die früher für besonders urtümlich gehalten wurden, scheinen typische Verschmelzungsprodukte aus zwei oder mehr Spiralgalaxien zu sein – und wären damit relativ jung. Schweizer zufolge bringen die Spiralgalaxien ihre alten, gemeinsam mit ihnen entstandenen Kugelsternhaufen mit, und bei der Kollision der Spiralen entsteht dann noch eine jüngere Haufen-Generation. „Ich denke, das ist der Hauptprozess“, ist Schweizer überzeugt, „auch wenn es noch Kollegen gibt, die Probleme damit haben, dass Elliptische Galaxien jung sein können.“

Keith Ashman von der University of Missouri in Kansas City ist derselben Meinung: „Bei der Entstehung der Spiralgalaxien bilden sich Kugelsternhaufen. Und wenn solche Galaxien kollidieren, bilden sich wieder welche.“ Mit seinem Kollegen Stephen E. Zepf von der Michigan State University in East Lansing hat Ashman dieses Verschmelzungsszenario („major merger model“) schon 1992 ausgearbeitet und die Bimodalität der Haufen vorausgesagt, bevor man sie überhaupt beobachten konnte.

Inzwischen gibt es für dieses Modell auch direkte Belege – etwa bei den Galaxien NGC 1275 und NGC 7252, vor allem aber bei NGC 4038 und NGC 4039. Diese beiden sind besser bekannt unter dem Namen Antennen-Galaxien. Sie befinden sich im Sternbild Rabe und sind mit einer Entfernung von rund 62 Millionen Lichtjahren das nächstgelegene Paar kollidierender Sterneninseln, die zu einer Elliptischen Galaxie verschmelzen. Ihren Namen erhielten sie aufgrund zweier langgestreckter Gas- und Sternenbänder, die die Gravitation aus den Spiralen herausgerissen hat, und die an die Antennen („Fühler“) von Insekten erinnern. „Sie sind das jüngste Beispiel einer kosmischen Kollision und daher ein exzellentes Studienobjekt“, schwärmt François Schweizer, der sie zusammen mit anderen Astronomen bereits mehrfach mit dem Hubble-Weltraumteleskop untersucht hat. Dabei wurden bis zu 15 Lichtjahre große Details in den Kollisionszonen deutlich. „Es ist, als sähe man beim Zusammenstoß zweier Autos zu“, meint Stephen Zepf. Schweizer und seine Kollegen entdeckten einige Hundert junge massereiche Sternhaufen (YMCs, „young massive clusters“) in den Antennen-Galaxien, die als Protokugelsternhaufen interpretiert werden können. Sie bestehen jeweils aus bis zu einer Million Sonnen und haben sich erst vor höchstens einigen Dutzend Millionen Jahren gebildet. Freilich wird nur ein Teil als Haufen überleben können – alle anderen lösen sich auf, und die Sterne verteilen sich im Sternenfeld der Galaxie.

Das Beispiel ist eindrucksvoll – aber auch repräsentativ und stichhaltig? Weder ist erwiesen, dass die YMCs zu „richtigen“ und vor allem stabilen Kugelhaufen werden können, noch sind es genug, um die große Zahl bei Elliptischen Galaxien zu erzeugen: Galaxien kollidieren zu selten, aber es wären rund ein Dutzend von ihnen nötig, um die über 10 000 Haufen bei Galaxien wie M 87 zu erklären. Jean Brodie vergleicht die Entstehung der YMCs in den Antennen sogar mit dem Zuckerguss auf einem Kuchen: „Er sieht schön aus, aber quantitativ fällt er kaum ins Gewicht.“

Schweizer stimmt zu, glaubt aber, dass dies vielleicht nur bei relativ jungen Galaxienverschmelzungen ein Problem ist. Im frühen Universum könnten die kollidierenden Galaxien mehr Haufen mitgebracht haben als heute, und damals dürfte auch mehr Gas zur Neubildung vorhanden gewesen sein. Außerdem entdeckte Schweizer mit Paul Goudfrooij vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, zahlreiche junge Haufen in deformierten Galaxien, die Relikte von relativ jungen Verschmelzungsvorgängen sind und sich noch nicht in eine Elliptische Galaxie verwandelt haben. „Das beweist, dass Kugelsternhaufen, die sich bei einer Galaxienverschmelzung bilden, auch überdauern können“, sagt Schweizer. Doch Kritiker wie Duncan Forbes von der Swinburne University in Hawthorn, Australien, warnen vor vorschnellen Schlüssen und drängen auf weitere Studien, da Schweizers Beispiele untypisch sein könnten. „Mit Galaxien ist es wie mit Menschen“, meint Forbes. „Je mehr man kennenlernt, desto eigenartiger erscheinen sie.“

Außerdem fanden Astronomen Hinweise darauf, dass die alten Kugelsternhaufen bei Spiralen weniger schwerere Elemente haben als jene bei massereichen Elliptischen Galaxien. Wenn sich dieser Verdacht erhärtet, kann das Verschmelzungsszenario die Bimodalität nicht erklären, denn die Haufen um die Ellipsen müssten mit schwereren Elementen stärker angereichert sein.

Einen Ausweg bietet die Hypothese von Duncan Forbes. Sie geht davon aus, dass sich kleine „Bausteine“ von Galaxien zuerst formen und dann binnen weniger Milliarden Jahre durch Verschmelzung von Gaswolken und anderen Galaxien zu größeren Gebilden heranwachsen. In diesem gut etablierten Szenario der „ hierarchischen Galaxienbildung“ entstanden die rötlichen Haufen graduell – ihr Alter umfasst mehrere Milliarden Jahre. Im Verschmelzungsszenario hätten sich die rötlichen Haufen dagegen viel schneller gebildet. Und im Szenario des galaktischen Kannibalismus („Akkretion“), das einige Astronomen kürzlich in die Diskussion gebracht haben, ist die Altersverteilung der rötlichen Haufen besonders breit gestreut (siehe Beitrag „ Abgenagte Galaxien“).

Noch eine weitere Variante hat Jean Brodie in die Diskussion geworfen: Die bläulichen Haufen haben sich demnach beim Kollaps der protogalaktischen Wolken gebildet, die kaum schwerere Elemente besaßen. Wenige Jahrmilliarden später sei es dann zu einer zweiten Kollapsphase gekommen: In ihr soll sich die zweite, rötlichere Kugelsternhaufen-Generation gebildet haben, und zwar aus dem mit schweren Elementen der ersten Sterne angereicherten verbliebenen oder von außen neu hinzugekommenen Gas.

Teilweise geht es in den Debatten freilich bloß um Fragen der Definition. Zum einen schließen sich die verschiedenen Szenarien nicht unbedingt gegenseitig aus. Zum anderen ist gar nicht mehr so klar, wie sie sich unterscheiden, wenn man sie auf große Entfernungen und somit frühere Zeiten anwendet. Denn dass es zu hierarchischen Strukturbildungen, Galaxienerschmelzungen und zur Kannibalisierung von Zwerggalaxien gekommen ist, akzeptieren inzwischen nahezu alle Astronomen.

Die Frage ist nur, wie viel Gas sich dabei jeweils zu neuen Haufen verdichtet hat. Im Weltraum herrschten wohl nicht überall dieselben Verhältnisse. Je mehr Gas zur Verfügung stand, desto mehr langlebige Haufen konnten sich bilden. Vielleicht ist das auch ein Grund, warum die Milchstraße und ihre Satelliten, die Magellan’schen Wolken, im Vergleich zur Andromeda-Galaxie und ihrer Umgebung relativ wenige Kugelsternhaufen besitzen.

Die verschiedenen Modelle müssen also auf den Prüfstand. Der entscheidende Test dabei wird vor allem eine präzise Altersbestimmungen der rötlichen Haufen sein. Das „Lustgewimmel“ der Sterne, von der Heinrich Heine sprach, wird die Astronomen also noch lange beschäftigen.

Heine hatte sich über Sterne und Haufen übrigens noch ganz andere Gedanken gemacht: „Du fragst mich, Kind, was Liebe ist? / Ein Stern in einem Haufen Mist.“ Rüdiger Vaas ■