Galaxie

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Eine Galaxie ist eine durch Gravitation gebundene große Ansammlung von Sternen, Planetensystemen, Gasnebeln, Staubwolken, Dunkler Materie und sonstigen astronomischen Objekten mit einer Gesamtmasse von typischerweise 109 bis 1013 Sonnenmassen (M).
Ihr Durchmesser kann mehrere hunderttausend Lichtjahre betragen.
Während große Galaxien häufig die Struktur von Spiralen ausbilden, sind Zwerggalaxien zumeist von irregulärem Typ.
Daneben existieren weitere Arten und Formen.
Die Milchstraße, Heimatgalaxie des Sonnensystems, ist eine Balkenspirale von rund 1,5 Billionen M mit etwa 250 Milliarden Sternen.
Von der Erde aus lassen sich mit aktueller Technik mehr als 50 Milliarden Galaxien beobachten.
Seit 2016 geht die Forschung davon aus, dass sich im beobachtbaren Universum ca. eine Billion Galaxien befinden.
Die Bezeichnung entstammt dem gleichbedeutenden altgriechischen aaia galaxias und geht auf eine antike Sage zurück, wonach es sich dabei um die verspritzte Milch (aa gala) der Göttin Hera handelt, als diese Herakles stillen wollte.
Als Galaxis (Singular) wird im Deutschen speziell die Milchstraße bezeichnet.
Im Englischen (galaxy, für die Galaxie auch Galaxy) gibt es eine ähnliche Unterscheidung.
Alexander von Humboldt verwendete die Bezeichnung "Welteninsel".
== Allgemeines
Galaxien variieren stark in Aussehen (Morphologie), Größe und Zusammensetzung.
Die Milchstraße hat einen Durchmesser von bis zu 200.000 Lichtjahren und gehört damit zu den größeren Galaxien.
Ihre nächste Nachbargalaxie von vergleichbarer Größe ist die Andromedagalaxie in einer Entfernung von rund 2,5 Millionen Lichtjahren.
Zusammen mit weiteren Galaxien von geringerer Masse bilden beide Galaxien die Lokale Gruppe.
Galaxien treten oft in Gruppen oder Haufen mit bis zu einigen tausend Mitgliedern auf.
== Geschichte der Erforschung
Bevor die Leistung astronomischer Teleskope dazu ausreichte, entfernte Galaxien in einzelne Sterne aufzulösen, erschienen sie als "Nebelflecken".
Lange war unklar, ob diese "Spiralnebel" zur Galaxis gehören oder eigene Sternensysteme bilden.
Schon Immanuel Kant vermutete in den "nebligen Sternen" milchstraßenähnliche Sternsysteme, und 1923 gelang es Edwin Hubble, diese Frage zu klären.
Er bestimmte die Entfernung zum Andromedanebel und stellte fest, dass dieser viel zu weit entfernt ist, um zur Milchstraße zu gehören, also eine eigene Galaxie darstellt.
== Galaxientypen
=== Klassifikation nach Hubble
Galaxien werden nach ihrer Form in verschiedene Haupt- und Untergruppen der so genannten Hubble-Klassifikation eingeteilt (siehe Morphologie).
Diese Klassifikation wurde von Edwin Hubble begründet und ist mit einigen Erweiterungen bis heute in Gebrauch, obwohl sie ursprünglich nur auf einer kleinen Stichprobe von nahen und hellen Galaxien basierte, die damals im optischen Wellenlängenbereich beobachtet werden konnten.
Die Hubble-Klassifikation ist rein empirisch und besagt nichts über die Entwicklung von Galaxien.
Die einzelnen Typen sind:
Neben der Klassifikation nach Hubble gibt es auch weitere Einteilungen, beispielsweise nach Gerard-Henri de Vaucouleurs oder die Yerkes-Klassifikation, die jedoch seltener gebraucht werden.
Die groben Klassifikationen werden der Vielzahl der gefundenen Galaxientypen oft nicht gerecht, weshalb man viele weitere Charakteristika zur Beschreibung von Galaxien heranzieht.
=== Weitere Galaxientypen
Es gibt weitere Formen von Galaxien, die sich nicht in obiges Schema einordnen lassen oder dieses ergänzen.
Unter anderem sind dies:
== Entstehung und Entwicklung
Der Mikrowellenhintergrund gibt die Materieverteilung des Universums 380.000 Jahre nach dem Urknall wieder.
Damals war das Universum noch sehr homogen:
Die Dichtefluktuationen lagen in der Größenordnung von 1 zu 105.
Im Rahmen der Kosmologie kann das Anwachsen der Dichtefluktuation durch den Gravitationskollaps beschrieben werden.
Dabei spielt vor allem die Dunkle Materie eine große Rolle, da sie gravitativ über die baryonische Materie dominiert.
Unter dem Einfluss der Dunklen Materie wuchsen die Dichtefluktuationen, bis sie zu dunklen Halos kollabierten.
Da bei diesem Prozess nur die Gravitation eine Rolle spielt, kann er heute mit großer Genauigkeit berechnet werden (z. B. Millennium-Simulation).
Das Gas folgte der Verteilung der dunklen Materie, fiel in diese Halos, verdichtete sich und es kam zur Bildung der Sterne.
Die Galaxien begannen sich zu bilden.
Die eigentliche Galaxienbildung ist aber unverstanden, denn die gerade erzeugten Sterne beeinflussten das einfallende Gas (das sogenannte Feedback), was eine genauere Simulation schwierig macht.
Nach ihrer Entstehung haben sich die Galaxien weiterentwickelt.
Nach dem hierarchischen Modell der Galaxienentstehung wachsen Galaxien vor allem durch Verschmelzen mit anderen Galaxien an.
Danach bildeten sich im frühen Kosmos unter dem Einfluss der Schwerkraft die ersten noch recht massearmen Proto-Galaxien.
Nach und nach, so die Vorstellung, fügten sich diese Galaxienvorläufer durch Kollisionen zu ausgewachsenen Exemplaren wie der Milchstraße und noch größeren Galaxien zusammen.
Die Relikte solcher Kollisionen zeigen sich in der Milchstraße noch heute als sogenannte Sternenströme.
Das sind Gruppen von Sternen, deren gemeinsames Bewegungsmuster auf einen Ursprung außerhalb der Milchstraße weist.
Sie werden kleineren Galaxien zugerechnet, die von der Milchstraße durch Gezeitenkräfte zerrissen und verschluckt wurden.
Ein Modell der Galaxienentstehung geht davon aus, dass sich die ersten Gaswolken durch Rotation zu Spiralgalaxien entwickelt haben.
Elliptische Galaxien entstanden nach diesem Modell erst in einem zweiten Stadium durch die Kollision von Spiralgalaxien.
Spiralgalaxien wiederum können nach dieser Vorstellung dadurch anwachsen, dass nahe (Zwerg-)Galaxien in ihre Scheibe stürzen und sich dort auflösen (Akkretion).
Die Beobachtung von hochrotverschobenen Galaxien ermöglicht es, diese Entwicklung nachzuvollziehen.
Große Erfolge hatten dabei insbesondere tiefe Durchmusterungen wie das Hubble Deep Field.
Insgesamt ist die Entstehung und Entwicklung von Galaxien als aktueller Forschungsgegenstand noch nicht abgeschlossen und somit noch nicht ausreichend sicher erklärbar.
Neueste Studien gehen davon aus, dass sich im Zentrum jeder Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet, das signifikant an der Entstehung der Galaxie beteiligt war.
So entstanden Galaxien aus riesigen Gaswolken (Wasserstoff), deren Zentren zu supermassereichen Schwarzen Löchern kollabieren.
Diese wiederum heizten das umliegende Gas so weit auf, dass sich durch Verdichtung Sterne und letztendlich Planeten bildeten.
Die Größe der Galaxien und deren Zentren (supermassereiche Schwarze Löcher) stehen in direktem Zusammenhang: je größer eine Galaxie, desto größer das Zentrum.
=== Entstehung der Spiralarme
Auch wenn es bei Spiralgalaxien so aussieht, als würde die Galaxie nur innerhalb der Spiralarme existieren, so befinden sich auch in weniger leuchtstarken Teilen der Galaxien-Scheibe verhältnismäßig viele Sterne.
Eine Galaxie rotiert nicht starr wie ein Rad; vielmehr laufen die einzelnen Sterne aus den Spiralarmen heraus und hinein.
Die Spiralarme sind sichtbarer Ausdruck stehender Dichtewellen (etwa wie Schallwellen in Luft), die in der galaktischen Scheibe umherlaufen.
Diese Theorie wurde zuerst von Chia-Chiao Lin und Frank Shu in den 1960er Jahren aufgestellt.
Danach ist in den Spiralarmen und im zentralen Balken die Materiedichte erhöht, so dass dort verhältnismäßig viele helle, blaue, also kurzlebige Sterne aus dem interstellaren Medium neu entstehen.
Dadurch erscheinen diese Bereiche heller als ihre Umgebung.
Diese Dichtewellen entstehen durch das Zusammenspiel aller Sternumlaufbahnen, denn die Sterne bewegen sich nicht wie etwa die Planeten im Sonnensystem gleichmäßig um ein festes Zentrum (ein Schwarzes Loch im Galaxienzentrum), weil dafür die Gesamtmasse der Galaxie nicht konzentriert genug ist.
Daher kehrt ein Stern nach einer Umrundung des Galaxienzentrums nicht wieder an seinen Ausgangspunkt zurück, die Bahnen sind also keine Ellipsen, sondern besitzen die Form von Rosetten.
Dichtewellen entstehen, wenn sich viele Sterne gleich schnell bewegen.
So sind in einer Balkenspiralgalaxie alle Bahnen gleich gegeneinander ausgerichtet, in einer reinen Spiralgalaxie dagegen noch gegeneinander verschoben.
Die Synchronisierung der Bahnen erfolgt durch gravitative Rückkopplung.
Mittels Computersimulationen, die auch interstellares Gas berücksichtigen, kann sogar die Ausbildung von Spiralarmen modelliert werden.
Dabei zeigt sich, dass diese keineswegs statisch sind, sondern entstehen und vergehen.
Danach durchläuft jede Galaxie einen Kreislauf (Dauer ca. zehn Milliarden Jahre) der ständigen Umwandlung von der Balken- in die Spiralform und zurück.
Ferner stören die Spiralarme die Bahnkurven der Sterne, was zu den sogenannten Lindblad-Resonanzen führt.
== Wechselwirkende Galaxien
Wenn Galaxien aufeinandertreffen, können Gaswolken innerhalb der Galaxie instabil werden und kollabieren.
Dabei entstehen neue Sterne.
Die Sterne der wechselwirkenden Galaxien selbst verschmelzen bei diesem Prozess sehr selten miteinander.
Die verschmolzenen Galaxien strahlen im blauen Licht der neu entstandenen Sterne.
Eine solche Wechselwirkung kann hunderte von Millionen Jahren dauern.
Dabei können sich die Formen der Galaxien stark verändern.
Wechselwirkungen zwischen zwei Galaxien sind ziemlich häufig.
Die Sterne können durch die Schwerkraftwirkung der Galaxien stark abgelenkt werden.
Beispiele für solche kollidierenden Galaxien, die schon z. T. verschmolzen sind, sind die Systeme M 51 - NGC 5195 und die "Antennen"-Galaxien NGC 4038 - NGC 4039 (siehe Abbildung) im Sternbild Adler.
== Weblinks
Videos:

Klexikon (einfache Sprache):
Eine Galaxie ist ein Haufen von Sternen im Weltall.
Die Sterne sind recht dicht beieinander, obwohl die Entfernungen zwischen ihnen immer noch sehr groß sind.
Sterne sind schwer, ihre Schwerkraft sorgt dafür, dass sie beieinander bleiben.
In der Galaxie gibt es aber nicht nur Sterne, sondern auch Gas und Staub.
Unsere Erde gehört zu einem Stern, der Sonne.
Unser Sonnensystem ist Teil einer Galaxie.
Unsere eigene Galaxie nennen wir Milchstraße.
Man sieht sie nachts am Himmel als ein helles Band.
Wenn eine andere Galaxie am Himmel zu sehen ist, erscheint sie wie ein heller Fleck.
Sie sieht also wie ein einzelner Stern aus, oder wie eine Wolke oder Nebel.
Schon im Altertum haben einige Philosophen vermutet, dass die Milchstraße aus vielen Sternen bestehen könnte.
Mehr wusste man erst im 20. Jahrhundert dank der Astronomie.
Eine größere Galaxie, die unserer Milchstraße am nächsten ist, heißt Andromeda-Galaxie.
Sie besteht aus etwa einer Billion Sternen, das ist eine eins mit zwölf Nullen.
Sie ist etwa zweieinhalb Millionen Lichtjahre von uns entfernt.
So lange braucht ihr Licht, um uns zu erreichen.
Zwischen unserer Erde und unserer Sonne liegen hingegen nur acht Lichtminuten.