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Tanz der Welten

Von ULF von RAUCHHAUPT
Arp 273 wurde 1966 erstmals von Halton Arp beschrieben und liegt 300 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Andromeda. Foto: Mark Malanoski (GST): Project Suppo

26.10.2018 · Wenn Galaxien kollidieren, kommt es oft zu einem Reigen, der sich über Jahrmilliarden hinziehen kann. Dabei verliert mindestens eine tanzende Sterneninsel ihre Form und schließlich sogar ihre Identität.

W er in den 1990er Jahren in der Bibliothek des Garchinger Max-Planck-Instituts für Astrophysik zu tun hatte, begegnete dort oft einem gepflegten älteren Herrn mit Schnauzbart. Fast als Einziger am Institut trug er Anzug und Krawatte und wirkte irgendwie britisch, also ein wenig exzentrisch. Nun war Halton Arp (1927 bis 2013) Amerikaner, als Liebhaber von Sonderbarem gilt er aber doch. Einer der beiden Gründe dafür ist sein 1966 veröffentlichter „Atlas of Peculiar Galaxies“.

Das Sonderbare an den dort verzeichneten Objekten ist ihre Form. Galaxien zeigen sich in optischen Teleskopen als Sternennebel aller möglichen Kaliber: von Zwerggalaxien mit wenigen tausend Lichtjahren Durchmesser bis hin zu Riesen, die sich über eine halbe Million Lichtjahre erstrecken. Ihr Formenspektrum dagegen erscheint viel schmaler: Etwa 60 Prozent sind sogenannte elliptische Galaxien, vergleichsweise langweilig aussehende gelbliche Sternenbälle manchmal eher länglicher, manchmal abgeplatteter Form. Attraktiver und daher bekannter sind die Spiralgalaxien, zu denen auch unsere galaktische Heimat, die Milchstraße, gehört. Die von Arp aufgelisteten sonderbaren Sterneninseln sind nun weder elliptisch, noch sind es ordentliche Spiralen. Sofern überhaupt spiralig, erscheinen ihre Arme aufgebogen. In anderen ziehen kompaktere Strukturen lange Schweife hinter sich her, wieder andere zeigen geschlossene Kringel. Und auffallend viele dieser Sonderlinge bestehen aus zwei oder gar mehr Komponenten.

Stephans Quintett alias Arp 319 ist 210 bis 340 Millionen Lichtjahre entfernt und hier in Wahrheit nur ein Quartett. Die Spirale oben links ist mit 39 Millionen Lichtjahren Entfernung eine Vordergrundgalaxie. Foto: Nasa/Esa

Solche Gebilde hatten bereits in den 1940ern den schwedischen Astrophysiker Erik Holmberg sowie seinen Schweizer Kollegen Fritz Zwicky auf die Idee gebracht, es müsse sich zumindestens in einigen Fällen um Galaxien handeln, die sich so nahe kommen, dass sie sich mittels ihrer Schwerefelder gegenseitig verformen oder sogar in direkter Kollision miteinander begriffen sind. Holmberg versuchte bereits 1941, die Gravitationswirkung zu simulieren, welche eine scheibenförmige Spiralgalaxie durch einen kompakten Begleiter erfährt – allerdings nicht auf einem Computer, sondern mittels einer Art Analogrechner, einer beweglichen Anordnung aus Glühbirnen und Lichtsensoren. Dabei nutzte er aus, dass Lichtintensität mit der Entfernung zur Quelle nach der gleichen mathematischen Beziehung abfällt wie die Gravitationskraft. Tatsächlich konnte Holmberg damit den aufgebogenen Spiralarm der sogenannten Whirlpool-Galaxie M51 erklären. Seither weiß man, dass Galaxien sich zuweilen in die Quere kommen, miteinander in kosmischen Crashs kollidieren und am Ende miteinander verschmelzen.

Whirlpool-Galaxie ist der Spitzname von Messier 51 alias Arp 85. Diese kosmische Karambolage im Sternbild Jagdhunde ist auch durch Amateurteleskope zu sehen. Foto: Nasa/Esa

Doch für die meisten von Holmbergs oder Zwickys Kollegen waren das damals pathologische Ausnahmen und damit keiner besonderen Beachtung würdig. Nun sind die Sonderlinge in der Tat sehr selten. Der Arp-Atlas umfasst gerade einmal 338 Objekte, 852 sind es in dem 1976 abgeschlossenen „Katalog interagierender Galaxien“ von Arps russischem Kollegen Boris Vorontsov-Velyaminov. Insgesamt sind in der näheren intergalaktischen Umgebung unserer Milchstraße nur etwa eine von einer Millionen Galaxien in dieser manifesten Weise sonderbar.

Centaurus A alias Arp 153 verdaut eine kleine Spiralgalaxie. Foto: ESO

In Wahrheit treten kollidierende Galaxien aber häufiger auf. Genauerere Untersuchungen mit heutigen Beobachtungsmethoden finden bei einigen Prozent der nahen Galaxien Hinweise auf Wechselwirkungen. So handelt es sich bei dem dunklen Band in der elliptischen Galaxie Centaurus A um Staub aus einer verschluckten Spiralgalaxie. Ungestörte elliptische Galaxien verfügen nicht über solche Staubmassen, weswegen „Cen A“ auch in Arps Kuriositätenkabinett Aufnahme fand. Der Galaxie Messier 64 dagegen fehlt eine Arp-Nummer, dabei ist die „Black Eye Galaxy“, wie sie wegen ihres düsteren Staubringes auch genannt wird, gleichfalls das Ergebnis einer kosmischen Kollision. Ihrer Form sieht man das zwar nicht an – sie ist die einer ordentlichen Spirale –, wohl aber der Tatsache, dass sie aus zwei gegenläufig rotierenden Scheiben besteht. Tatsächlich täuschen die enormen Abstände zwischen Galaxien auf klassischen optischen Teleskopaufnahmen eine geringe Wahrscheinlichkeit ihrer Begegnung nur vor. Galaxien bestehen nämlich nur zum kleineren Teil aus Sternen. Die Milchstraße zum Beispiel beherbergt zwischen hundert und vierhundert Milliarden Sterne, von denen die allermeisten kleiner sind als die Sonne. Trotzdem ist unsere Heimatgalaxie rund eine Billion Sonnenmassen schwer. Ein erheblicher Anteil davon ist sogenannte Dunkle Materie, deren physikalische Identität noch immer ungeklärt ist. Als Ball oder Scheibe aus Dunkler Materie ist eine typische Galaxie gut zehnmal größer denn als leuchtende Sternwolke. Hinzu kommt, dass Galaxien keineswegs gleichmäßig im All verteilt sind, sondern zur Haufenbildung neigen. Rund die Hälfte aller Galaxien sind Mitglieder solcher Haufen und damit erhöhtem Karambolagerisiko ausgesetzt.

Messier 64 hat auch schon was hinter sich. Foto: Nasa/Esa

Unsere Milchstraße allerdings befindet sich weit am Rand eines solchen Galaxienhaufens. Zusammen mit zwei anderen Spiralnebeln, der Andromeda- und der Triangulum-Galaxie, sowie etwa 50 kleineren bildet sie die „Lokale Gruppe“, in der es zwar im Moment nicht direkt kracht, deren Mitglieder sich aber trotzdem behelligen. Zwei Opfer sind am Südhimmel mit bloßem Auge zu sehen: die Große und die Kleine Magellansche Wolke. Diese Zwerggalaxien befinden sich in Orbits um die Milchstraße, was ihnen gar nicht guttut. „Die beiden werden von der Schwerkraft unserer Galaxie geschreddert“, sagt Carolin Crawford von der Cambridge University. Sie verweist auf die mit Radioteleskopen nachweisbaren weiten Bögen aus Wasserstoffgas, das die Milchstraße aus den beiden Zwergen schon herausgezogen hat. „Unbegrenzt lange werden die das nicht überstehen.“

Die Milchstraße dagegen hat sich durch die Interaktion mit ihren Satelliten bisher nur eine kleine Verbeulung ihrer Scheibe eingehandelt. Aber die Magellanschen Wolken sind eben hundertmal kleiner als die Milchstraße. In dem Galaxienpaar mit der Nummer 273 im Arp-Katalog beträgt das Massenverhältnis nur etwa fünf zu eins, und so hat die Begegnung auch für den größeren Partner sichtbare Folgen. Ihre Spirale ist weit aufgebogen worden und erinnert nun an die Blüte einer Rose, während ihr kleinerer Unfallgegner fast schon einen Totalschaden ihrer Spiralstruktur davongetragen hat.

Opfer der Milchstraße: Die Magellanschen Wolken am Himmel über dem Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte in Chile Foto: ESO

Was passiert, wenn sich zwei Spiralen etwa gleich großer Masse begegnen, kann man bei Arp 244 besichtigen, besser bekannt als die „Antennengalaxien“. Wie schon im Fall von Arp 273 handelt es sich um die Momentaufnahmen eines Prozesses, dessen Verlauf bei Spiralgalaxien noch von anderen Details bestimmt wird: den Winkeln, unter dem die Ebenen der beiden Spiralen aufeinandertreffen, ihren Rotationsrichtungen und vor allem ihrer Relativgeschwindigkeit. Anders als im irdischen Straßenverkehr sind die unmittelbaren Folgen einer intergalaktischen Begegnung bei langsamem Tempo drastischer als bei einer schnellen, denn umso gemächlicher sich zwei Galaxien aufeinander zu-, oder hinreichend nahe aneinander vorbeibewegen, um so mehr Zeit haben die Sterne der einen, auf das Gravitationsfeld der anderen zu reagieren, bevor diese weitergezogen ist. Im Allgemeinen ist die Karambolage dann aber nicht vorbei. Auch nach einer schnellen Begegnung bremsen sich die Unfallgegener meist so weit ab, dass sie umkehren und sich noch einmal finden, diesmal mit geringerer Geschwindigkeit und fataleren Folgen. „Galaxienkollisionen beginnen als eleganter Walzer in den enormen Räumen und Zeitspannen der Galaxienwelt“, schreibt Curtis Struck von der Iowa State University in seiner Monographie zum Thema. „Und sie enden wie Paarungen von Gottesanbeterinnen oder wie der Wettbewerb zwischen Firmen: indem die größere die kleinere schluckt.“

Antennen eines Insekts sehen die Astronomen in den abgewickelten Spiralen von Arp 244. Foto: Nasa/Esa

Sind die Partner aber ähnlich groß, entsteht bei der Verschmelzung eine völlig neue Galaxie. Das wird auch einmal das Schicksal unserer Milchstraße sein. Diese und die heute noch 2,5 Millionen Lichtjahre entfernte Andromeda-Galaxie rasen mit einem Tempo von gut einer Million Kilometer pro Stunde aufeinander zu. Nach einer Computersimulation, die Carolin Crawford 2013 bei einem Vortrag in Cambridge zeigte, werden sie in 3,8 Milliarden Jahren aufeinandertreffen, sich durchdringen und wieder voneinander entfernen, dann umkehren und noch einmal kollidieren. Erst nach dem dritten Mal wird das, was von beiden nun noch übrig ist, endgültig beieinanderbleiben und sich wieder mit den meisten Trümmern ihres Tanzes vereinigen. „Sie werden eine neue Galaxie bilden, eine, die keiner der beiden originalen Spiralgalaxien ähnelt, sondern eher einer elliptischen.“ Erst in acht Milliarden Jahren wird die neue Galaxie zur Ruhe gekommen sein.

Die Erde gibt es dann längst nicht mehr – aber das hat nichts mit der Kollision mit Andromeda zu tun. Denn so dramatische Folgen Kollision und Verschmelzung für eine Galaxie hat, ihre Sterne wechseln lediglich das Umfeld. Im Extremfall werden sie vielleicht in den intergalaktischen Raum geschleudert, bleiben ansonsten aber unbehelligt. Warum, könne man sich klarmachen, schreibt Curtis Struck, wenn man die Maßstäbe in Gedanken so weit schrumpfen lässt, dass ein Stern nur noch so groß ist wie ein Sandkorn. Die Milchstraße hätte dann den Durchmesser der Mondbahn, aber zwischen ihren sandkorngroßen Sternen befände sich im Mittel 140 Kilometer leerer Raum. Treffen zwei derart lockere Sandwolken aufeinander, ist eine Kollision zweier Körner extrem unwahrscheinlich.

Cartwheel (Wagenrad) heißt diese Folge eines zentralen Treffers in eine Spiralgalaxie. Foto: Nasa/Esa

Anders sieht es für Gas- und Staubwolken aus. Sie werden bei einer Galaxienkollision in großem Umfang so weit verdichtet, dass sie an vielen Stellen unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren und neue Sterne entstehen. Das ist der Grund für das viele Blau und Rosa in Bildern interagierender oder frisch verschmolzener Galaxien: Blau strahlen kurzlebige Riesensterne, und rosa leuchten Gaswolken, die von deren Ultraviolettlicht beschienen werden. Beides sind charakteristische Phänomene in Sternentstehungsgebieten. Diese zieren auch viele der Objekte in Arps „Atlas of Peculiar Galaxies“. Schon früh waren sich die meisten Astronomen daher einig, dass es sich dabei um Sterneninseln handelt, die in Verschmelzung begriffen sind. Einer der wenigen, die widersprachen, war Halton Arp.

Er sah darin Galaxien, die Material ausstoßen. Aber er sah noch mehr, nämlich Gasfilamente, welche die Galaxien in seinen Augen gelegentlich mit Objekten verbanden, bei denen eine ganz andere sogenannte Rotverschiebung gemessen worden war. Die meisten Forscher führen diese Rotverschiebung auf die allgemeine Ausdehnung des Universums zurück, einen der wichtigsten Belege für den Urknall, also einen Entstehung des naturwissenschaftlich erforschbaren Kosmos vor 13,7 Milliarden Jahren. Während Arps Kollegen keine solchen Verbindungen zwischen Arp-Galaxien und Objekten hoher Rotverschiebung erkennen konnten, beharrte er selbst darauf, diese seien ein Beweis dafür, dass hinter der Rotverschiebung keine kosmische Expansion und mithin kein Urknall stecke. Neben seinem Atlas galaktischer Sonderbarkeiten bleibt dies daher der zweite Eintrag der Astronomiegeschichte zu Halton Arp: Er war der letzte prominente Gegner der Urknall-Theorie und Verfechter eines ewigen, nie entstandenen Universums. Doch wie sein früherer Mitarbeiter Barry Madore kurz nach Arps Tod der New York Times sagte: „Als Halton Arp starb, hat er eine ganze Kosmologie mit sich genommen.“

Literatur:
Curtis Struck
„Galaxy Collisions
Forging New Worlds from Cosmic Crashes“

Springer/Praxis Publishing
Chichester
2011

Quelle: F.A.S.

Veröffentlicht: 26.10.2018 15:00 Uhr