Galaxie - Galaxy

NGC 4414 , eine typische Spiralgalaxie im Sternbild Coma Berenices , hat einen Durchmesser von etwa 55.000  Lichtjahren und ist etwa 60 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Eine Galaxie ist ein gravitativ gebundenes System von Sternen , Sternüberresten , interstellarem Gas , Staub und dunkler Materie . Das Wort leitet sich vom griechischen Galaxien ( γαλαξίας ) ab, wörtlich „milchig“, ein Hinweis auf die Milchstraße . Galaxien reichen von Zwergen mit nur wenigen hundert Millionen (10 8 ) Sternen bis hin zu Riesen mit hundert Billionen (10 14 ) Sternen, die jeweils das Massenzentrum ihrer Galaxie umkreisen .

Galaxien werden nach ihrer visuellen Morphologie in elliptisch , spiralförmig oder unregelmäßig eingeteilt . Es wird angenommen, dass viele supermassereiche Schwarze Löcher in ihren Zentren haben. Das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße, bekannt als Sagittarius A* , hat eine Masse, die vier Millionen Mal größer ist als die der Sonne . Ab März 2016 ist GN-z11 die älteste und am weitesten entfernte beobachtete Galaxie. Es hat eine Bewegungsentfernung von 32 Milliarden Lichtjahren von der Erde und existiert nur 400 Millionen Jahre nach dem Urknall .

Im Jahr 2021 wurden Daten der NASA- Raumsonde New Horizons verwendet, um die vorherige Schätzung auf etwa 200 Milliarden Galaxien zu revidieren (2 × 10 11 ), die einer Schätzung von 2016 folgte, dass es zwei Billionen (2 × 10 12 ) oder mehr Galaxien im beobachtbaren Universum insgesamt und so viele wie geschätzt1 × 10 24 Sterne (mehr Sterne als alle Sandkörner an allen Stränden des Planeten Erde ). Die meisten Galaxien haben einen Durchmesser von 1.000 bis 100.000 Parsec (ungefähr 3.000 bis 300.000 Lichtjahre ) und sind durch Entfernungen in der Größenordnung von Millionen von Parsec (oder Megaparsec) getrennt. Zum Vergleich: Die Milchstraße hat einen Durchmesser von mindestens 30.000 Parsec (100.000 ly) und ist von der Andromeda-Galaxie , ihrem nächsten großen Nachbarn, durch 780.000 Parsec (2,5 Millionen ly) getrennt.

Der Raum zwischen den Galaxien ist mit einem dünnen Gas (dem intergalaktischen Medium ) mit einer durchschnittlichen Dichte von weniger als einem Atom pro Kubikmeter gefüllt . Die meisten Galaxien sind gravitativ in Gruppen , Haufen und Superhaufen organisiert . Die Milchstraße ist Teil der Lokalen Gruppe , die sie zusammen mit der Andromeda-Galaxie dominiert . Die Gruppe ist Teil des Jungfrau-Superclusters . Im größten Maßstab sind diese Assoziationen im Allgemeinen in Blättern und Fäden angeordnet , die von riesigen Hohlräumen umgeben sind . Sowohl die Lokale Gruppe als auch der Jungfrau-Superhaufen sind in einer viel größeren kosmischen Struktur namens Laniakea enthalten .

Etymologie

Das Wort Galaxie wurde über das Französische und das mittelalterliche Latein vom griechischen Begriff für die Milchstraße, galaxías (kúklos) γαλαξίας ( κύκλος ) „milchig (Kreis)“ entlehnt , benannt nach seinem Erscheinen als milchiges Lichtband am Himmel. In der griechischen Mythologie , Zeus setzt seinen Sohn von einer sterblichen Frau geboren, das Kind Herakles , auf Hera ‚s Brust , während sie schläft so das Baby ihrer göttliche Milch und damit unsterblich worden trinken. Hera wacht beim Stillen auf und merkt dann, dass sie ein unbekanntes Baby stillt: Sie schiebt das Baby weg, ein Teil ihrer Milch läuft aus und es entsteht das Lichtband, das als Milchstraße bekannt ist.

In der astronomischen Literatur wird das Wort "Galaxie" oft verwendet, um sich auf unsere Galaxie, die Milchstraße , zu beziehen , um sie von den anderen Galaxien in unserem Universum zu unterscheiden . Der englische Begriff Milky Way geht auf eine Erzählung von Chaucer c.  1380 :

Siehe da drüben, lo, die Galaxisë
 Welche Männer clepeth das Milky Wey ,
 Denn Hit ist, warum.

—  Geoffrey Chaucer, The House of Fame

Galaxien wurden zunächst teleskopisch entdeckt und wurden als Spiralnebel bezeichnet . Die meisten Astronomen des 18. bis 19. Jahrhunderts betrachteten sie entweder als unaufgelöste Sternhaufen oder anagalaktische Nebel und wurden nur als Teil der Milchstraße angesehen, aber ihre wahre Zusammensetzung und Natur blieben ein Rätsel. Beobachtungen mit größeren Teleskopen einiger nahegelegener heller Galaxien, wie der Andromeda-Galaxie , begannen, diese in riesige Ansammlungen von Sternen aufzulösen, aber basierend auf der scheinbaren Helligkeit und der bloßen Population von Sternen platzierten die wahren Entfernungen dieser Objekte sie weit über der Milchstraße Weg. Aus diesem Grund wurden sie populär genannt Insel - Universen , aber dieser Begriff fiel schnell in Vergessenheit, wie das Wort Universum die Gesamtheit der Existenz impliziert. Stattdessen wurden sie einfach als Galaxien bekannt.

Nomenklatur

Zehntausende von Galaxien wurden katalogisiert, aber nur wenige haben etablierte Namen, wie die Andromeda-Galaxie , die Magellanschen Wolken , die Whirlpool-Galaxie und die Sombrero-Galaxie . Astronomen arbeiten mit Zahlen aus bestimmten Katalogen, wie dem Messier-Katalog , dem NGC ( Neuer Gesamtkatalog ), dem IC ( Index-Katalog ), dem CGCG ( Katalog der Galaxien und Galaxienhaufen ), dem MCG ( Morphologischer Katalog der Galaxien ). , den UGC ( Uppsala General Catalogue of Galaxies) und den PGC ( Catalogue of Principal Galaxies , auch bekannt als LEDA). Alle bekannten Galaxien erscheinen in einem oder mehreren dieser Kataloge, jedoch jeweils unter einer anderen Nummer. Zum Beispiel ist Messier 109 (oder "M109") eine Spiralgalaxie mit der Nummer 109 im Katalog von Messier. Es hat auch die Bezeichnungen NGC 3992, UGC 6937, CGCG 269-023, MCG +09-20-044 und PGC 37617 (oder LEDA 37617). Millionen lichtschwächerer Galaxien sind durch ihre Identifikatoren in Himmelsdurchmusterungen wie dem Sloan Digital Sky Survey bekannt , in dem M109 als SDSS J115735.97+532228.9 katalogisiert ist.

Beobachtungshistorie

Die Erkenntnis, dass wir in einer Galaxie unter vielen leben, geht mit großen Entdeckungen über die Milchstraße und andere Nebel einher .

Milchstraße

Der griechische Philosoph Demokrit (450-370 v. Chr.) schlug vor, dass das helle Band am Nachthimmel, das als Milchstraße bekannt ist, aus fernen Sternen bestehen könnte. Aristoteles (384-322 BCE), glaubte jedoch wurde die Milchstraße durch „die Zündung der feurigen Ausatmung einiger Sterne , die großen, zahlreich und dicht beieinander waren“ verursacht und dass die „Zündung erfolgt im oberen Teil der Atmosphäre , in der Region der Welt, die mit den himmlischen Bewegungen ununterbrochen ist ." Der neuplatonische Philosoph Olympiodorus der Jüngere ( ca.  495 – 570 n . Chr.) kritisierte diese Ansicht und argumentierte, dass, wenn die Milchstraße sublunär wäre (zwischen Erde und Mond gelegen), sie zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten auf der Erde anders erscheinen sollte, und dass sie sollte Parallaxe haben , was es nicht tat. Aus seiner Sicht war die Milchstraße himmlisch.

Laut Mohani Mohamed unternahm der arabische Astronom Alhazen (965-1037) den ersten Versuch, die Parallaxe der Milchstraße zu beobachten und zu messen, und er stellte somit fest, dass die Milchstraße, weil sie keine Parallaxe hatte, von der Erde entfernt sein muss und nicht dazugehörte zur Atmosphäre." Der persische Astronom al-Bīrūnī (973-1048) schlug vor, dass die Milchstraße „eine Ansammlung unzähliger Fragmente der Natur nebulöser Sterne“ sei. Der andalusische Astronom Ibn Bâjjah ("Avempace", gest. 1138) schlug vor, dass es aus vielen Sternen besteht, die sich fast berühren, und aufgrund der Brechung von sublunärem Material ein kontinuierliches Bild zu sein scheint, unter Berufung auf seine Beobachtung der Konjunktion von Jupiter und Mars als Beweis dafür, dass dies geschah, wenn zwei Objekte in der Nähe waren. Im 14. Jahrhundert schlug der in Syrien geborene Ibn Qayyim vor, die Milchstraße sei "eine Myriade winziger Sterne, die in der Sphäre der Fixsterne zusammengepackt sind".

Die Form der Milchstraße, wie sie 1785 von William Herschel aus Sternzählungen geschätzt wurde ; Es wurde angenommen, dass sich das Sonnensystem in der Nähe des Zentrums befindet.

Der tatsächliche Beweis dafür, dass die Milchstraße aus vielen Sternen besteht, kam 1610, als der italienische Astronom Galileo Galilei sie mit einem Teleskop untersuchte und entdeckte, dass sie aus einer großen Anzahl schwacher Sterne besteht. Im Jahr 1750 spekulierte der englische Astronom Thomas Wright in seiner An Original Theory or New Hypothesis of the Universe richtigerweise, dass es sich um einen rotierenden Körper einer riesigen Anzahl von Sternen handeln könnte, die von Gravitationskräften zusammengehalten werden, ähnlich dem Sonnensystem, aber auf viel größeren Maßstab, und dass die resultierende Sternenscheibe aus unserer Perspektive darin als Band am Himmel zu sehen war. In seiner Abhandlung von 1755 führte Immanuel Kant Wrights Idee über die Struktur der Milchstraße aus.

Das erste Projekt zur Beschreibung der Form der Milchstraße und des Sonnenstandes wurde 1785 von William Herschel durchgeführt, indem die Anzahl der Sterne in verschiedenen Himmelsregionen gezählt wurde. Er erstellte ein Diagramm der Form der Galaxie mit dem Sonnensystem in der Nähe des Zentrums . Mit einem verfeinerten Ansatz gelangte Kapteyn 1920 zu dem Bild einer kleinen (Durchmesser etwa 15 Kiloparsec) ellipsoiden Galaxie mit der Sonne nahe dem Zentrum. Eine andere Methode von Harlow Shapley, basierend auf der Katalogisierung von Kugelsternhaufen, führte zu einem radikal anderen Bild: einer flachen Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 70 Kiloparsec und der Sonne weit vom Zentrum entfernt. Bei beiden Analysen wurde die Lichtabsorption durch interstellaren Staub in der galaktischen Ebene nicht berücksichtigt ; Aber nachdem Robert Julius Trumpler 1930 diesen Effekt durch das Studium offener Sternhaufen quantifiziert hatte , entstand das heutige Bild unserer Wirtsgalaxie.

Unterscheidung von anderen Nebeln

Einige Galaxien außerhalb der Milchstraße sind in einer dunklen Nacht mit bloßem Auge sichtbar , darunter die Andromeda-Galaxie , die Große Magellansche Wolke , die Kleine Magellansche Wolke und die Dreiecksgalaxie . Im 10. Jahrhundert machte der persische Astronom Al-Sufi die früheste aufgezeichnete Identifizierung der Andromeda-Galaxie und beschrieb sie als "kleine Wolke". 964 erwähnte er wahrscheinlich die Große Magellansche Wolke in seinem Buch der Fixsterne (in Bezug auf "Al Bakr der südlichen Araber", da bei einer Neigung von etwa 70° Süd nicht sichtbar war, wo er lebte); es war den Europäern bis zur Reise Magellans im 16. Jahrhundert nicht bekannt. Die Andromeda-Galaxie wurde später 1612 von Simon Marius unabhängig festgestellt. 1734 spekulierte der Philosoph Emanuel Swedenborg in seiner Principia , dass es außerhalb unserer eigenen Galaxien geben könnte, die zu galaktischen Haufen geformt wurden, die winzige Teile des Universums waren, die sich weit über das hinaus erstreckten, was wir könnte sehen. Diese Ansichten "stehen den heutigen Ansichten des Kosmos bemerkenswert nahe". 1745 Pierre Louis Maupertuis vermutet , dass einige Nebel -ähnlichen Objekte Ansammlungen von Sternen mit einzigartigen Eigenschaften waren, darunter eine , die Licht leuchten mehr als seine Sterne auf ihre eigenen produziert und wiederholte Johannes Hevelius ‚s Ansicht , dass die hellen Flecken waren massiv und durch abgeflachte zu ihrer Drehung. Im Jahr 1750 spekulierte Thomas Wright richtigerweise, dass die Milchstraße eine abgeflachte Sternenscheibe sei und dass einige der am Nachthimmel sichtbaren Nebel separate Milchstraßen sein könnten.

Foto des "Großen Andromeda-Nebels" von Isaac Roberts , 1899, später als Andromeda-Galaxie identifiziert

Gegen Ende des 18. Jahrhunderts erstellte Charles Messier einen Katalog mit den 109 hellsten Himmelsobjekten mit nebulösem Aussehen. Anschließend stellte William Herschel einen Katalog mit 5.000 Nebeln zusammen. 1845 konstruierte Lord Rosse ein neues Teleskop und konnte zwischen elliptischen und spiralförmigen Nebeln unterscheiden. Es gelang ihm auch, einzelne Punktquellen in einigen dieser Nebel auszumachen, was Kants früherer Vermutung Glauben schenkte.

1912 führte Vesto Slipher spektrographische Studien der hellsten Spiralnebel durch, um ihre Zusammensetzung zu bestimmen. Slipher entdeckte, dass die Spiralnebel hohe Dopplerverschiebungen aufweisen , was darauf hindeutet, dass sie sich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die die Geschwindigkeit der von ihm gemessenen Sterne übersteigt. Er stellte fest, dass sich die Mehrheit dieser Nebel von uns wegbewegt.

Im Jahr 1917 beobachtete Heber Curtis Nova S Andromedae innerhalb des "Großen Andromeda- Nebels" (wie damals die Andromeda-Galaxie, Messier-Objekt M31 genannt wurde). Beim Durchsuchen der fotografischen Aufzeichnungen fand er 11 weitere Novae . Curtis bemerkte, dass diese Novae im Durchschnitt 10 Magnituden schwächer waren als diejenigen, die in unserer Galaxie auftraten. Als Ergebnis konnte er eine Entfernungsschätzung von 150.000 Parsec aufstellen  . Er wurde ein Befürworter der sogenannten "Inseluniversen"-Hypothese, die besagt, dass Spiralnebel eigentlich unabhängige Galaxien sind.

1920 fand eine Debatte zwischen Harlow Shapley und Heber Curtis (die Große Debatte ) über die Natur der Milchstraße, Spiralnebel und die Dimensionen des Universums statt. Um seine Behauptung zu untermauern, dass der Große Andromedanebel eine externe Galaxie ist, bemerkte Curtis das Auftreten dunkler Bahnen, die den Staubwolken in der Milchstraße ähneln, sowie die signifikante Dopplerverschiebung.

1922 gab der estnische Astronom Ernst Öpik eine Entfernungsbestimmung ab, die die Theorie stützte, dass der Andromeda-Nebel tatsächlich ein fernes extragalaktisches Objekt ist. Mit dem neuen 100-Zoll- Mt.-Wilson- Teleskop konnte Edwin Hubble die äußeren Teile einiger Spiralnebel als Ansammlungen einzelner Sterne auflösen und einige Cepheiden-Variablen identifizieren , wodurch er die Entfernung zu den Nebeln abschätzen konnte: Sie waren viel zu weit entfernt Teil der Milchstraße zu sein. 1936 erstellte Hubble eine Klassifikation der galaktischen Morphologie , die bis heute verwendet wird.

Moderne Forschung

Rotationskurve einer typischen Spiralgalaxie: anhand der sichtbaren Materie vorhergesagt (A) und beobachtet (B). Die Entfernung ist vom galaktischen Kern .

1944 sagte Hendrik van de Hulst voraus, dass Mikrowellenstrahlung mit einer Wellenlänge von 21 cm von interstellarem atomarem Wasserstoffgas nachweisbar sein würde ; und 1951 wurde es beobachtet. Diese Strahlung wird nicht durch Staubabsorption beeinflusst, und so kann ihre Dopplerverschiebung verwendet werden, um die Bewegung des Gases in unserer Galaxie abzubilden. Diese Beobachtungen führten zu der Hypothese einer rotierenden Balkenstruktur im Zentrum unserer Galaxie. Mit verbesserten Radioteleskopen könnte Wasserstoffgas auch in anderen Galaxien aufgespürt werden. In den 1970er Jahren entdeckte Vera Rubin eine Diskrepanz zwischen der beobachteten galaktischen Rotationsgeschwindigkeit und der von der sichtbaren Masse von Sternen und Gas vorhergesagten. Heute wird angenommen, dass das Problem der Galaxienrotation durch das Vorhandensein großer Mengen unsichtbarer dunkler Materie erklärt wird .

Wissenschaftler verwendeten die in der GOODS- Durchmusterung sichtbaren Galaxien, um die Gesamtzahl der Galaxien neu zu berechnen.

Ab den 1990er Jahren lieferte das Hubble-Weltraumteleskop verbesserte Beobachtungen. Seine Daten trugen unter anderem dazu bei, festzustellen, dass die fehlende Dunkle Materie in unserer Galaxie nicht nur aus von Natur aus schwachen und kleinen Sternen bestehen kann. Das Hubble Deep Field , eine extrem lange Aufnahme eines relativ leeren Teils des Himmels, lieferte den Beweis, dass es etwa 125 Milliarden (1,25 × 10 11 ) Galaxien im beobachtbaren Universum. Eine verbesserte Technologie zur Erkennung der für den Menschen unsichtbaren Spektren (Radioteleskope, Infrarotkameras und Röntgenteleskope ) ermöglicht die Erkennung anderer Galaxien, die von Hubble nicht erkannt werden. Insbesondere Durchmusterungen in der Zone of Avoidance (der Himmelsregion, die von der Milchstraße bei Wellenlängen des sichtbaren Lichts blockiert wird) haben eine Reihe neuer Galaxien enthüllt.

A 2016 Studie veröffentlicht in The Astrophysical Journal , durch führte Christopher Conselice der University of Nottingham , verwendet 20 Jahre Hubble Bilder , dass das beobachtbare Universum Billionen mindestens zwei enthalten abzuschätzen (2 × 10 12 ) Galaxien. Spätere Beobachtungen mit der Raumsonde New Horizons von außerhalb des Zodiakallichts reduzierten dies jedoch auf etwa 200 Milliarden (2 × 10 11 ).

Typen und Morphologie

Galaxientypen nach dem Hubble-Klassifikationsschema: ein E zeigt einen Typ einer elliptischen Galaxie an; ein S eine Spirale ist; und SB ist eine vergitterte Spiralgalaxie.

Galaxien gibt es in drei Haupttypen: elliptisch, spiralförmig und unregelmäßig. Eine etwas ausführlichere Beschreibung von Galaxientypen basierend auf ihrem Aussehen gibt die Hubble-Sequenz . Da die Hubble-Sequenz vollständig auf dem visuellen morphologischen Typ (Form) basiert, kann sie bestimmte wichtige Eigenschaften von Galaxien wie die Sternentstehungsrate in Starburst-Galaxien und die Aktivität in den Kernen aktiver Galaxien verfehlen .

Ellipsentrainer

Das Hubble-Klassifizierungssystem bewertet elliptische Galaxien auf der Grundlage ihrer Elliptizität, die von E0, das fast kugelförmig ist, bis zu E7 reicht, das stark gestreckt ist. Diese Galaxien haben ein ellipsenförmigen Profil, so dass sich eine elliptische Aussehen unabhängig vom Betrachtungswinkel ergeben. Ihr Aussehen zeigt wenig Struktur und sie haben typischerweise relativ wenig interstellare Materie . Folglich haben diese Galaxien auch einen geringen Anteil an offenen Haufen und eine reduzierte Rate neuer Sternentstehungen. Stattdessen werden sie von im Allgemeinen älteren, weiter entwickelten Sternen dominiert , die den gemeinsamen Schwerpunkt in zufälligen Richtungen umkreisen. Die Sterne enthalten eine geringe Häufigkeit schwerer Elemente, da die Sternentstehung nach dem ersten Ausbruch aufhört. In diesem Sinne haben sie eine gewisse Ähnlichkeit mit den viel kleineren Kugelsternhaufen .

Die größten Galaxien sind riesige elliptische Galaxien. Es wird angenommen, dass viele elliptische Galaxien aufgrund der Wechselwirkung von Galaxien entstehen, was zu einer Kollision und Verschmelzung führt. Sie können zu enormen Größen anwachsen (im Vergleich zu Spiralgalaxien beispielsweise), und riesige elliptische Galaxien werden oft in der Nähe des Kerns großer Galaxienhaufen gefunden.

Muschelgalaxie

NGC 3923 Elliptische Muschelgalaxie (Hubble-Foto)

Eine Schalengalaxie ist eine Art elliptische Galaxie, bei der die Sterne in ihrem Halo in konzentrischen Schalen angeordnet sind. Etwa ein Zehntel der elliptischen Galaxien hat eine schalenartige Struktur, die bei Spiralgalaxien noch nie beobachtet wurde. Es wird angenommen, dass sich diese Strukturen entwickeln, wenn eine größere Galaxie eine kleinere Begleitgalaxie absorbiert – wenn sich die beiden Galaxienzentren nähern, beginnen sie um einen Mittelpunkt zu schwingen, und die Schwingung erzeugt Gravitationswellen, die die Hüllen von Sternen bilden, ähnlich wie sich Wellen ausbreiten Wasser. Zum Beispiel hat die Galaxie NGC 3923 über 20 Schalen.

Spiralen

Die Windrad-Galaxie , NGC 5457

Spiralgalaxien ähneln spiralförmigen Windrädern . Obwohl die Sterne und anderes sichtbares Material, das in einer solchen Galaxie enthalten ist, größtenteils auf einer Ebene liegen, existiert der Großteil der Masse in Spiralgalaxien in einem ungefähr sphärischen Halo aus dunkler Materie, der sich über die sichtbare Komponente hinaus erstreckt, wie durch das Konzept der universellen Rotationskurve gezeigt.

Spiralgalaxien bestehen aus einer rotierenden Scheibe aus Sternen und interstellarem Medium sowie einer zentralen Ausbuchtung allgemein älterer Sterne. Von der Wölbung nach außen erstrecken sich relativ helle Arme. Im Hubble-Klassifikationsschema werden Spiralgalaxien als Typ S aufgeführt , gefolgt von einem Buchstaben ( a , b oder c ), der den Grad der Enge der Spiralarme und die Größe der zentralen Ausbuchtung angibt. Eine Sa- Galaxie hat eng gewundene, schlecht definierte Arme und besitzt eine relativ große Kernregion. Im anderen Extrem hat eine Sc- Galaxie offene, gut definierte Arme und eine kleine Kernregion. Eine Galaxie mit schlecht definierten Armen wird manchmal als flockige Spiralgalaxie bezeichnet ; im Gegensatz zu der großen Design-Spiralgalaxie , die markante und gut definierte Spiralarme hat. Es wird angenommen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie dreht, mit der Flachheit der Scheibe korreliert, da einige Spiralgalaxien dicke Ausbuchtungen haben, während andere dünn und dicht sind.

NGC 1300 , ein Beispiel für eine Balkenspiralgalaxie

In Spiralgalaxien haben die Spiralarme die Form von annähernd logarithmischen Spiralen , ein Muster, von dem theoretisch gezeigt werden kann, dass es aus einer Störung in einer gleichmäßig rotierenden Masse von Sternen resultiert. Wie die Sterne rotieren die Spiralarme um das Zentrum, jedoch mit konstanter Winkelgeschwindigkeit . Die Spiralarme gelten als Bereiche mit hoher Materiedichte oder " Dichtewellen ". Wenn sich Sterne durch einen Arm bewegen, wird die Raumgeschwindigkeit jedes Sternsystems durch die Gravitationskraft der höheren Dichte modifiziert. (Die Geschwindigkeit kehrt zum Normalzustand zurück, nachdem die Sterne auf der anderen Seite des Arms weggegangen sind.) Dieser Effekt ist vergleichbar mit einer "Welle" von Verlangsamungen, die sich entlang einer Autobahn voller fahrender Autos bewegt. Die Arme sind sichtbar, weil die hohe Dichte die Sternentstehung erleichtert und daher viele helle und junge Sterne beherbergen.

Hoags Objekt , ein Beispiel für eine Ringgalaxie

Vergitterte Spiralgalaxie

Die meisten Spiralgalaxien, einschließlich unserer eigenen Milchstraße , haben ein lineares, stabförmiges Sternenband, das sich zu beiden Seiten des Kerns nach außen erstreckt und dann in die Spiralarmstruktur übergeht. Im Hubble-Klassifikationsschema werden diese durch ein SB gekennzeichnet , gefolgt von einem Kleinbuchstaben ( a , b oder c ), der die Form der Spiralarme angibt (analog zur Kategorisierung normaler Spiralgalaxien). Man nimmt an, dass Balken temporäre Strukturen sind, die durch eine vom Kern nach außen ausstrahlende Dichtewelle oder durch eine Gezeitenwechselwirkung mit einer anderen Galaxie entstehen können. Viele Balkenspiralgalaxien sind aktiv, möglicherweise weil Gas entlang der Arme in den Kern geleitet wird.

Unsere eigene Galaxie, die Milchstraße , ist eine große scheibenförmige Balkenspiralgalaxie mit einem Durchmesser von etwa 30 Kiloparsec und einer Dicke von 1 Kiloparsec. Es enthält etwa zweihundert Milliarden (2×10 11 ) Sterne und hat eine Gesamtmasse von etwa sechshundert Milliarden (6×10 11 ) mal der Masse der Sonne.

Superleuchtende Spirale

Kürzlich beschrieben Forscher Galaxien, die als superleuchtende Spiralen bezeichnet werden. Sie sind sehr groß mit einem Durchmesser von 437.000 Lichtjahren nach oben (im Vergleich zum Durchmesser von 100.000 Lichtjahren der Milchstraße). Mit einer Masse von 340 Milliarden Sonnenmassen erzeugen sie eine erhebliche Menge an ultraviolettem und mittlerem Infrarotlicht. Es wird angenommen, dass sie eine etwa 30-mal schnellere Sternentstehungsrate als die Milchstraße haben.

Andere Morphologien

  • Besondere Galaxien sind galaktische Formationen, die aufgrund von Gezeitenwechselwirkungen mit anderen Galaxien ungewöhnliche Eigenschaften entwickeln.
    • Eine Ringgalaxie hat eine ringförmige Struktur aus Sternen und interstellarem Medium, die einen nackten Kern umgeben. Es wird angenommen, dass eine Ringgalaxie entsteht, wenn eine kleinere Galaxie den Kern einer Spiralgalaxie durchquert. Ein solches Ereignis könnte die Andromeda-Galaxie beeinflusst haben , da sie bei Betrachtung in Infrarotstrahlung eine mehrringartige Struktur aufweist .
  • Eine linsenförmige Galaxie ist eine Zwischenform, die Eigenschaften sowohl von elliptischen als auch von Spiralgalaxien aufweist. Diese werden als Hubble-Typ S0 kategorisiert und besitzen schlecht definierte Spiralarme mit einem elliptischen Sternenhof ( Barred-Lentikulargalaxien erhalten die Hubble-Klassifizierung SB0.)
  • Irreguläre Galaxien sind Galaxien, die nicht ohne weiteres in eine elliptische oder spiralförmige Morphologie eingeteilt werden können.
    • Eine Irr-I-Galaxie hat eine gewisse Struktur, stimmt aber nicht sauber mit dem Hubble-Klassifikationsschema überein.
    • Irr-II-Galaxien besitzen keine Struktur, die einer Hubble-Klassifikation ähnelt, und wurden möglicherweise zerstört. Beispiele in der Nähe von (Zwerg-) irregulären Galaxien sind die Magellanschen Wolken .
  • Eine ultra diffuse Galaxie (UDG) ist eine Galaxie mit extrem niedriger Dichte. Es kann die gleiche Größe wie die Milchstraße haben, aber eine sichtbare Sternzahl von nur einem Prozent der Milchstraße haben. Sein Mangel an Leuchtkraft ist auf das Fehlen von Sternentstehungsgas zurückzuführen, was zu alten Sternpopulationen führt.

Zwerge

Trotz der Bedeutung großer elliptischer und spiralförmiger Galaxien sind die meisten Galaxien Zwerggalaxien. Sie sind im Vergleich zu anderen galaktischen Formationen relativ klein, etwa ein Hundertstel der Größe der Milchstraße mit nur wenigen Milliarden Sternen. Vor kurzem wurden ultrakompakte Zwerggalaxien entdeckt, die nur 100 Parsec groß sind.

Viele Zwerggalaxien können eine einzelne größere Galaxie umkreisen; die Milchstraße hat mindestens ein Dutzend solcher Satelliten, von denen schätzungsweise 300 bis 500 noch entdeckt werden müssen. Zwerggalaxien können auch als elliptisch , spiralförmig oder unregelmäßig klassifiziert werden . Da kleine elliptische Zwerge wenig Ähnlichkeit mit großen elliptischen Galaxien haben, werden sie stattdessen oft als kugelförmige Zwerggalaxien bezeichnet .

Eine Studie von 27 Nachbarn der Milchstraße ergab, dass in allen Zwerggalaxien die Zentralmasse ungefähr 10 Millionen Sonnenmassen beträgt , unabhängig davon, ob sie Tausende oder Millionen von Sternen hat. Dies deutet darauf hin, dass Galaxien größtenteils aus dunkler Materie bestehen und dass die minimale Größe auf eine Form von warmer dunkler Materie hinweisen könnte, die in kleinerem Maßstab nicht zur gravitativen Koaleszenz fähig ist.

Andere Arten von Galaxien

Interaktion

Die Antennengalaxien erleben eine Kollision, die zu ihrer letztendlichen Verschmelzung führen wird.

Wechselwirkungen zwischen Galaxien sind relativ häufig und können eine wichtige Rolle in der galaktischen Evolution spielen . Beinahe-Unfälle zwischen Galaxien führen zu Verzerrungen aufgrund von Gezeitenwechselwirkungen und können zu einem gewissen Austausch von Gas und Staub führen. Kollisionen treten auf, wenn sich zwei Galaxien direkt durchdringen und genügend relativen Impuls haben, um nicht zu verschmelzen. Die Sterne wechselwirkender Galaxien kollidieren normalerweise nicht, aber das Gas und der Staub in den beiden Formen interagieren und lösen manchmal die Sternentstehung aus. Eine Kollision kann die Formen der Galaxien stark verzerren und Balken, Ringe oder schweifartige Strukturen bilden.

Das Extrem der Wechselwirkungen sind galaktische Verschmelzungen, bei denen die relativen Impulse der Galaxien nicht ausreichen, um sie durchdringen zu lassen. Stattdessen verschmelzen sie nach und nach zu einer einzigen, größeren Galaxie. Fusionen können zu erheblichen Veränderungen der ursprünglichen Morphologie der Galaxien führen. Wenn eine der Galaxien viel massereicher ist als die andere, spricht man von Kannibalismus , bei dem die massereichere größere Galaxie relativ ungestört bleibt und die kleinere auseinandergerissen wird. Die Milchstraße ist derzeit dabei, die elliptische Schütze-Zwerggalaxie und die Canis-Major-Zwerggalaxie auszuschlachten .

Starburst

M82 , eine Starburst-Galaxie, die die zehnfache Sternentstehung einer "normalen" Galaxie hat

Sterne entstehen in Galaxien aus einer Reserve kalten Gases, die riesige Molekülwolken bildet . Bei einigen Galaxien wurde beobachtet, dass sie mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit Sterne bilden, was als Starburst bekannt ist . Wenn sie dies weiterhin tun, würden sie ihre Gasreserven in einer Zeitspanne verbrauchen, die kürzer ist als die Lebensdauer der Galaxie. Daher dauert die Starburst-Aktivität normalerweise nur etwa zehn Millionen Jahre, eine relativ kurze Zeitspanne in der Geschichte einer Galaxie. Starburst-Galaxien waren in der frühen Geschichte des Universums häufiger, tragen aber immer noch schätzungsweise 15% zur gesamten Sternenproduktion bei.

Starburst-Galaxien zeichnen sich durch staubige Gaskonzentrationen und das Auftreten neu gebildeter Sterne aus, einschließlich massereicher Sterne, die die umgebenden Wolken ionisieren, um H II-Regionen zu erzeugen . Diese Sterne erzeugen Supernova- Explosionen, die expandierende Überreste erzeugen , die stark mit dem umgebenden Gas interagieren. Diese Ausbrüche lösen eine Kettenreaktion der Sternenbildung aus, die sich in der gesamten Gasregion ausbreitet. Erst wenn das verfügbare Gas fast verbraucht oder verteilt ist, endet die Aktivität.

Starbursts werden oft mit verschmelzenden oder interagierenden Galaxien in Verbindung gebracht. Das Prototypbeispiel einer solchen Starburst-bildenden Interaktion ist M82 , das eine enge Begegnung mit dem größeren M81 erlebte . Unregelmäßige Galaxien weisen oft beabstandete Knoten von Starburst-Aktivität auf.

Aktive Galaxie

Aus dem Kern der elliptischen Radiogalaxie M87 wird ein Teilchenstrahl emittiert .

Einige beobachtbare Galaxien werden als "aktiv" klassifiziert, wenn sie einen aktiven galaktischen Kern (AGN) enthalten. Ein erheblicher Teil der gesamten Energieabgabe der Galaxie wird vom aktiven Kern statt von seinen Sternen, Staub und interstellarem Medium emittiert . Es gibt mehrere Klassifizierungs- und Benennungsschemata für AGNs, aber diejenigen in den unteren Leuchtkraftbereichen werden als Seyfert-Galaxien bezeichnet , während diejenigen mit einer Leuchtkraft, die viel größer als die der Wirtsgalaxie ist, als quasi-stellare Objekte oder Quasare bekannt sind . AGNs emittieren Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum von Radiowellenlängen bis hin zu Röntgenstrahlen, obwohl ein Teil davon von Staub oder Gas absorbiert werden kann, das mit dem AGN selbst oder mit der Wirtsgalaxie verbunden ist.

Das Standardmodell für einen aktiven Galaxienkern basiert auf einer Akkretionsscheibe , die sich um ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) in der Kernregion der Galaxie bildet. Die Strahlung eines aktiven galaktischen Kerns resultiert aus der Gravitationsenergie der Materie, die von der Scheibe auf das Schwarze Loch fällt. Die Leuchtkraft des AGN hängt von der Masse des SMBH und der Geschwindigkeit ab, mit der Materie darauf fällt. In etwa 10 % dieser Galaxien schleudert ein diametral gegenüberliegendes Paar energetischer Jets Teilchen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit aus dem Galaxienkern . Der Mechanismus zur Erzeugung dieser Strahlen ist nicht gut verstanden.

Blazare

Blazare gelten als aktive Galaxien mit einem relativistischen Jet, der in Richtung Erde gerichtet ist. Eine Radiogalaxie sendet Radiofrequenzen von relativistischen Jets aus. Ein einheitliches Modell dieser Arten von aktiven Galaxien erklärt ihre Unterschiede basierend auf der Position des Beobachters.

LINERS

Möglicherweise verwandt mit aktiven galaktischen Kernen (sowie Starburst- Regionen) sind nukleare Emissionslinienregionen (LINERs) mit niedriger Ionisation . Die Emission von Galaxien vom LINER-Typ wird von schwach ionisierten Elementen dominiert . Die Anregungsquellen für die schwach ionisierten Linien umfassen Post- AGB- Sterne, AGN und Schocks. Ungefähr ein Drittel der nahegelegenen Galaxien wird als LINER-Kerne enthaltend klassifiziert.

Seyfert-Galaxie

Seyfert-Galaxien sind neben Quasaren eine der beiden größten Gruppen aktiver Galaxien. Sie haben quasarähnliche Kerne (sehr leuchtende, entfernte und helle elektromagnetische Strahlungsquellen) mit sehr hohen Oberflächenhelligkeiten; aber im Gegensatz zu Quasaren sind ihre Wirtsgalaxien klar nachweisbar. Seyfert-Galaxien machen etwa 10 % aller Galaxien aus. Im sichtbaren Licht sehen die meisten wie normale Spiralgalaxien aus; Aber wenn man sie unter anderen Wellenlängen untersucht, entspricht die Leuchtkraft ihrer Kerne der Leuchtkraft ganzer Galaxien von der Größe der Milchstraße.

Quasar

Quasare (/ˈkweɪzɑr/) oder quasi-stellare Radioquellen sind die energiereichsten und am weitesten entfernten Mitglieder aktiver galaktischer Kerne. Sie sind extrem leuchtend und wurden zuerst als Quellen elektromagnetischer Energie mit hoher Rotverschiebung identifiziert, einschließlich Radiowellen und sichtbarem Licht, die eher Sternen als ausgedehnten Quellen ähnlich wie Galaxien ähnelten. Ihre Leuchtkraft kann das 100-fache der der Milchstraße betragen.

Leuchtende Infrarotgalaxie

Luminous Infrarot Galaxien (LIRGs) sind Galaxien mit Leuchtkräften – der Messung der elektromagnetischen Leistung – über 10 11 L☉ (Sonnenleuchtkraft). In den meisten Fällen stammt der größte Teil ihrer Energie von einer großen Anzahl junger Sterne, die den umgebenden Staub erhitzen, der die Energie im Infraroten wieder abstrahlt. Leuchtkraft, die hoch genug ist, um ein LIRG zu sein, erfordert eine Sternentstehungsrate von mindestens 18 M☉ yr −1 . Ultraleuchtende Infrarotgalaxien (ULIRGs) sind mindestens zehnmal leuchtender und bilden Sterne mit Raten >180 M☉ yr −1 . Viele LIRGs emittieren auch Strahlung von einem AGN. Infrarotgalaxien emittieren im Infraroten mehr Energie als alle anderen Wellenlängen zusammen, wobei die Spitzenemission typischerweise bei Wellenlängen von 60 bis 100 Mikrometer liegt. LIRGs sind im Lokaluniversum ungewöhnlich, waren aber viel häufiger, als das Universum jünger war.

Eigenschaften

Magnetfelder

Galaxien haben eigene Magnetfelder . Sie sind stark genug, um dynamisch wichtig zu sein, da sie:

  • Treiben Sie den Massenzufluss in die Zentren von Galaxien an
  • Ändern Sie die Bildung von Spiralarmen
  • Kann die Rotation von Gas in den äußeren Regionen der Galaxien beeinflussen
  • Bereitstellung des Drehimpulstransports, der für den Kollaps von Gaswolken und damit für die Bildung neuer Sterne erforderlich ist

Die typische durchschnittliche Gleichverteilungsstärke für Spiralgalaxien beträgt etwa 10 μG ( microGauss ) oder 1  nT ( nanoTesla ). Im Vergleich dazu hat das Erdmagnetfeld eine durchschnittliche Stärke von etwa 0,3 G (Gauss oder 30 µT ( microTesla ). Radioschwache Galaxien wie M 31 und M33 , die Nachbarn unserer Milchstraße , haben schwächere Felder (etwa 5  µG), während gasreiche Galaxien mit hohen Sternentstehungsraten wie M 51, M 83 und NGC 6946 im Durchschnitt 15 µG haben, in prominenten Spiralarmen kann die Feldstärke bis zu 25 µG betragen, in Regionen mit kaltem Gas und Staub Die stärksten Gesamtäquipartitionsfelder (50–100 μG) wurden in Starburst-Galaxien gefunden – zum Beispiel in M ​​82 und den Antennen , und in nuklearen Starburst-Regionen wie den Zentren von NGC 1097 und anderen Balkengalaxien .

Entstehung und Entwicklung

Galaktische Entstehung und Evolution ist ein aktives Forschungsgebiet der Astrophysik .

Formation

Künstlerische Darstellung eines Protoclusters, der sich im frühen Universum bildet

Aktuelle kosmologische Modelle des frühen Universums basieren auf der Urknalltheorie . Ungefähr 300.000 Jahre nach diesem Ereignis begannen sich Wasserstoff- und Heliumatome zu bilden, ein Ereignis, das als Rekombination bezeichnet wird . Fast der gesamte Wasserstoff war neutral (nicht ionisiert) und absorbierte leicht Licht, und es hatten sich noch keine Sterne gebildet. Infolgedessen wurde diese Zeit das „ dunkle Zeitalter “ genannt. Aufgrund von Dichtefluktuationen (oder anisotropen Unregelmäßigkeiten) in dieser Urmaterie begannen größere Strukturen zu erscheinen. Infolgedessen begannen Massen baryonischer Materie in kalten Halos aus dunkler Materie zu kondensieren . Aus diesen Urstrukturen wurden schließlich die Galaxien, die wir heute sehen.

Künstlerische Darstellung eines jungen galaktischen Akkretionsmaterials

Frühe Galaxienbildung

Beweise für das Auftreten von Galaxien sehr früh in der Geschichte des Universums wurden im Jahr 2006 gefunden, als entdeckt wurde, dass die Galaxie IOK-1 eine ungewöhnlich hohe Rotverschiebung von 6,96 aufweist, was nur 750 Millionen Jahren nach dem Urknall entspricht und damit die größte ist entfernte und sich am frühesten bildende Galaxie, die zu dieser Zeit beobachtet wurde. Während einige Wissenschaftler behauptet haben, dass andere Objekte (wie Abell 1835 IR1916 ) höhere Rotverschiebungen aufweisen (und daher in einem früheren Stadium der Entwicklung des Universums gesehen werden), wurden das Alter und die Zusammensetzung von IOK-1 zuverlässiger festgestellt. Im Dezember 2012 berichteten Astronomen, dass UDFj-39546284 das am weitesten entfernte bekannte Objekt ist und einen Rotverschiebungswert von 11,9 hat. Das Objekt, das schätzungsweise etwa 380 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte (der vor etwa 13,8 Milliarden Jahren stattfand), ist etwa 13,42 Milliarden Lichtwegjahre entfernt. Die Existenz von Galaxien so kurz nach dem Urknall legt nahe, dass Protogalaxien in den sogenannten "dunklen Zeitaltern" gewachsen sein müssen. Mit Stand vom 5. Mai 2015 ist die Galaxie EGS-zs8-1 die am weitesten entfernte und früheste gemessene Galaxie, die 670 Millionen Jahre nach dem Urknall entstand . Das Licht von EGS-zs8-1 hat 13 Milliarden Jahre gebraucht, um die Erde zu erreichen, und ist jetzt 30 Milliarden Lichtjahre entfernt, aufgrund der Expansion des Universums während 13 Milliarden Jahren.

Verschiedene Komponenten des Nahinfrarot-Hintergrundlichts, die vom Hubble-Weltraumteleskop bei Deep-Sky-Durchmusterungen entdeckt wurden

Der detaillierte Prozess, durch den die frühesten Galaxien entstanden sind, ist eine offene Frage in der Astrophysik. Theorien lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Top-Down und Bottom-Up. In Top-Down-Korrelationen (wie dem Eggen-Lynden-Bell-Sandage [ELS]-Modell) entstehen Protogalaxien in einem großräumigen simultanen Kollaps, der etwa 100 Millionen Jahre andauert. In Bottom-up-Theorien (wie dem Searle-Zinn-Modell [SZ]) bilden sich zuerst kleine Strukturen wie Kugelsternhaufen , und dann akkretieren eine Reihe solcher Körper zu einer größeren Galaxie. Sobald sich Protogalaxien zu bilden und zusammenzuziehen begannen, erschienen in ihnen die ersten Halo-Sterne (so genannte Population III-Sterne ). Diese bestanden fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium und waren möglicherweise massiver als das 100-fache der Sonnenmasse. Wenn dies der Fall wäre, hätten diese riesigen Sterne schnell ihren Brennstoffvorrat verbraucht und wären zu Supernovae geworden , die schwere Elemente in das interstellare Medium freigesetzt hätten . Diese erste Generation von Sternen reionisierte den umgebenden neutralen Wasserstoff und erzeugte sich ausdehnende Raumblasen, durch die Licht leicht wandern konnte.

Im Juni 2015 berichteten Astronomen über Beweise für Sterne der Population III in der Kosmos Redshift 7 Galaxie bei z = 6,60 . Solche Sterne haben wahrscheinlich im sehr frühen Universum existiert (dh bei hoher Rotverschiebung) und haben möglicherweise mit der Produktion chemischer Elemente begonnen, die schwerer als Wasserstoff sind, die für die spätere Bildung von Planeten und Leben, wie wir es kennen, benötigt werden.

Evolution

Innerhalb einer Milliarde Jahre nach der Entstehung einer Galaxie beginnen Schlüsselstrukturen zu erscheinen. Es bilden sich Kugelsternhaufen , das zentrale supermassive Schwarze Loch und eine galaktische Ausbuchtung metallarmer Sterne der Population II . Die Entstehung eines supermassereichen Schwarzen Lochs scheint eine Schlüsselrolle bei der aktiven Regulierung des Galaxienwachstums zu spielen, indem die Gesamtmenge an zusätzlicher Materie begrenzt wird. Während dieser frühen Epoche durchlaufen Galaxien einen großen Ausbruch von Sternentstehung.

Während der folgenden zwei Milliarden Jahre setzt sich die angesammelte Materie in einer galaktischen Scheibe ab . Eine Galaxie wird während ihres gesamten Lebens weiterhin einfallendes Material aus Hochgeschwindigkeitswolken und Zwerggalaxien absorbieren . Diese Materie besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Der Zyklus von Sternengeburt und -tod erhöht langsam den Überfluss an schweren Elementen und ermöglicht schließlich die Bildung von Planeten .

XDF- Sichtfeld im Vergleich zur Winkelgröße des Mondes . Mehrere Tausend Galaxien, die jeweils aus Milliarden von Sternen bestehen , sind in diesem kleinen Bild zu sehen.
XDF (2012) Ansicht: Jeder Lichtfleck ist eine Galaxie, von denen einige bis zu 13,2 Milliarden Jahre alt sind – das beobachtbare Universum wird auf 200 Milliarden bis zwei Billionen Galaxien geschätzt.
Das XDF- Bild zeigt (von links) vollständig ausgereifte Galaxien, fast ausgereifte Galaxien (vor fünf bis neun Milliarden Jahren) und Protogalaxien , die vor jungen Sternen (über neun Milliarden Jahre) leuchten .

Die Entwicklung von Galaxien kann durch Wechselwirkungen und Kollisionen erheblich beeinflusst werden. Verschmelzungen von Galaxien waren während der frühen Epoche üblich, und die meisten Galaxien waren in ihrer Morphologie eigentümlich. Angesichts der Entfernungen zwischen den Sternen wird die große Mehrheit der Sternsysteme in kollidierenden Galaxien davon unberührt bleiben. Allerdings erzeugt das gravitative Abstreifen des interstellaren Gases und Staubs, aus dem die Spiralarme bestehen, eine lange Reihe von Sternen, die als Gezeitenschweife bekannt sind. Beispiele für diese Formationen sind in NGC 4676 oder den Antennengalaxien zu sehen .

Die Milchstraße und die nahe Andromeda-Galaxie bewegen sich mit etwa 130  km/s aufeinander zu, und – abhängig von den seitlichen Bewegungen – könnten die beiden in etwa fünf bis sechs Milliarden Jahren kollidieren. Obwohl die Milchstraße noch nie mit einer so großen Galaxie wie Andromeda kollidiert ist, nehmen die Hinweise auf frühere Kollisionen der Milchstraße mit kleineren Zwerggalaxien zu.

Solche großräumigen Wechselwirkungen sind selten. Mit der Zeit werden Verschmelzungen zweier gleich großer Systeme seltener. Die meisten hellen Galaxien sind in den letzten Milliarden Jahren im Wesentlichen unverändert geblieben, und die Nettorate der Sternentstehung hat wahrscheinlich auch vor etwa zehn Milliarden Jahren ihren Höhepunkt erreicht.

Zukunftstrends

Spiralgalaxien wie die Milchstraße produzieren neue Generationen von Sternen, solange sie dichte Molekülwolken aus interstellarem Wasserstoff in ihren Spiralarmen haben. Elliptische Galaxien sind weitgehend frei von diesem Gas und bilden daher nur wenige neue Sterne. Der Vorrat an sternbildendem Material ist endlich; Sobald Sterne den verfügbaren Wasserstoff in schwerere Elemente umgewandelt haben, wird die neue Sternentstehung beendet sein.

Die aktuelle Ära der Sternentstehung wird erwartet , dass bis zu hundert Milliarden Jahre fortsetzen, und dann das „Stern Alter“ wird nach etwa 10000000000000-100000000000000 Jahren Ausklang (10 13 -10 14  Jahren), als die kleinsten, Die langlebigsten Sterne unseres Universums, winzige Rote Zwerge , beginnen zu verblassen. Am Ende des Sternenzeitalters werden Galaxien aus kompakten Objekten bestehen : Braune Zwerge , sich abkühlende oder kalte Weiße Zwerge (" Schwarze Zwerge "), Neutronensterne und Schwarze Löcher . Als Folge der gravitativen Relaxation fallen schließlich alle Sterne entweder in zentrale supermassereiche Schwarze Löcher oder werden durch Kollisionen in den intergalaktischen Raum geschleudert.

Größere Strukturen

Seyferts Sextett ist ein Beispiel für eine kompakte Galaxiengruppe.

Deep-Sky-Durchmusterungen zeigen, dass Galaxien oft in Gruppen und Haufen gefunden werden . Solitäre Galaxien, die in den letzten Milliarden Jahren nicht signifikant mit anderen Galaxien vergleichbarer Masse wechselwirkten, sind relativ selten. Nur etwa 5 % der untersuchten Galaxien sind wirklich isoliert; sie könnten jedoch in der Vergangenheit mit anderen Galaxien interagiert und sogar verschmolzen haben und noch immer von kleineren Satellitengalaxien umkreist werden. Isolierte Galaxien können Sterne mit einer höheren Rate als normal produzieren, da ihr Gas nicht von anderen nahe gelegenen Galaxien abgezogen wird.

Auf der größten Skala dehnt sich das Universum kontinuierlich aus, was zu einer durchschnittlichen Zunahme des Abstands zwischen einzelnen Galaxien führt (siehe Hubble-Gesetz ). Galaxienverbände können diese Ausdehnung auf lokaler Ebene durch ihre gegenseitige Anziehungskraft überwinden. Diese Assoziationen bildeten sich früh, als Klumpen dunkler Materie ihre jeweiligen Galaxien zusammenzogen. In der Nähe befindliche Gruppen schlossen sich später zu größeren Clustern zusammen. Dieser fortlaufende Verschmelzungsprozess (sowie ein Einströmen von einfallendem Gas) erhitzt das intergalaktische Gas in einem Cluster auf sehr hohe Temperaturen von 30–100 Megakelvin . Etwa 70–80% der Masse eines Haufens sind in Form von Dunkler Materie, 10–30% aus diesem erhitzten Gas und die restlichen wenigen Prozent in Form von Galaxien.

Die meisten Galaxien sind gravitativ an eine Reihe anderer Galaxien gebunden. Diese bilden ein fraktal -ähnlichen hierarchische Verteilung von Clusterstrukturen, mit den kleinsten solchen Assoziationen werden Gruppen bezeichnet. Eine Gruppe von Galaxien ist die häufigste Art von Galaxienhaufen; diese Formationen enthalten die meisten Galaxien (sowie den größten Teil der baryonischen Masse) im Universum. Um gravitativ an eine solche Gruppe gebunden zu bleiben, muss jede Mitgliedsgalaxie eine ausreichend niedrige Geschwindigkeit haben, um zu verhindern, dass sie entkommt (siehe Virialtheorem ). Wenn die kinetische Energie jedoch nicht ausreicht , kann sich die Gruppe durch Verschmelzungen zu einer kleineren Anzahl von Galaxien entwickeln.

Ungelöstes Problem in der Physik :

Die größten Strukturen im Universum sind größer als erwartet. Sind das tatsächliche Strukturen oder zufällige Dichteschwankungen?

Galaxienhaufen bestehen aus Hunderten bis Tausenden von Galaxien, die durch die Schwerkraft miteinander verbunden sind. Galaxienhaufen werden oft von einer einzigen riesigen elliptischen Galaxie dominiert, die als hellste Haufengalaxie bekannt ist , die im Laufe der Zeit ihre Satellitengalaxien durch Gezeiten zerstört und ihre Masse zu ihrer eigenen hinzufügt.

Superhaufen enthalten Zehntausende von Galaxien, die in Haufen, Gruppen und manchmal auch einzeln vorkommen. Auf der Superhaufen-Skala sind Galaxien in Schichten und Filamenten angeordnet, die riesige leere Hohlräume umgeben. Oberhalb dieser Skala scheint das Universum in alle Richtungen gleich ( isotrop und homogen ) zu sein, obwohl diese Vorstellung in den letzten Jahren durch zahlreiche Funde von großskaligen Strukturen, die diese Skala zu überschreiten scheinen, in Frage gestellt wurde. Die Große Mauer von Hercules-Corona Borealis , die derzeit größte im Universum gefundene Struktur , ist 10 Milliarden Lichtjahre (drei Gigaparsec) lang.

Die Milchstraße ist Mitglied einer Vereinigung namens Local Group , einer relativ kleinen Gruppe von Galaxien mit einem Durchmesser von etwa einem Megaparsec. Die Milchstraße und die Andromeda-Galaxie sind die beiden hellsten Galaxien innerhalb der Gruppe; viele der anderen Mitgliedsgalaxien sind Zwergengefährten dieser beiden. Die Lokale Gruppe selbst ist Teil einer wolkenähnlichen Struktur innerhalb des Virgo-Superhaufens , einer großen, ausgedehnten Struktur von Gruppen und Galaxienhaufen, die auf dem Virgo-Cluster zentriert sind . Und der Jungfrau-Superhaufen selbst ist Teil des Fische-Cetus-Superhaufen-Komplexes , einem riesigen Galaxienfilament .

Südliche Ebene der Milchstraße aus Submillimeterwellenlängen

Multi-Wellenlängen-Beobachtung

Dieses ultraviolette Bild von Andromeda zeigt blaue Regionen mit jungen, massereichen Sternen.

Die Spitzenstrahlung der meisten Sterne liegt im sichtbaren Spektrum , daher ist die Beobachtung der Sterne, die Galaxien bilden, ein wichtiger Bestandteil der optischen Astronomie . Es ist auch ein günstiger Teil des Spektrums, um ionisierte H II -Regionen zu beobachten und die Verteilung staubiger Arme zu untersuchen.

Der im interstellaren Medium vorhandene Staub ist für sichtbares Licht undurchlässig. Es ist transparenter für das ferne Infrarot , mit dem sich die Innenregionen riesiger Molekülwolken und galaktischer Kerne detailliert beobachten lassen. Infrarot wird auch verwendet, um weit entfernte, rotverschobene Galaxien zu beobachten, die viel früher entstanden sind. Wasserdampf und Kohlendioxid absorbieren , um eine Reihe von nützlichen Teile des Infrarotspektrums, so hoch über dem Boden oder raumgestützten Teleskopen für eingesetzt werden Infrarot - Astronomie .

Die erste nicht-visuelle Untersuchung von Galaxien, insbesondere von aktiven Galaxien, wurde mit Radiofrequenzen durchgeführt . Die Erdatmosphäre ist für Funk zwischen 5 MHz und 30 GHz nahezu transparent  . (Die Ionosphäre Blöcke Signale unterhalb dieses Bereichs.) Große Radio Interferometern verwendet wurden , um die aktiven Strahlen abzubilden von aktiven Kernen emittiert wird . Radioteleskope können auch verwendet werden, um neutralen Wasserstoff (über 21-cm-Strahlung ) zu beobachten , einschließlich möglicherweise der nicht ionisierten Materie im frühen Universum, die später zu Galaxien kollabierte.

Ultraviolett- und Röntgenteleskope können hochenergetische galaktische Phänomene beobachten. Ultraviolette Flares werden manchmal beobachtet, wenn ein Stern in einer fernen Galaxie von den Gezeitenkräften eines nahegelegenen Schwarzen Lochs zerrissen wird. Die Verteilung von heißem Gas in galaktischen Haufen kann durch Röntgenstrahlen kartiert werden. Die Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher in den Kernen von Galaxien wurde durch Röntgenastronomie bestätigt.

Galerie

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Quellen

Literaturverzeichnis

Externe Links