Welteninseln im All

Unsere Milchstraße ist eine von vielen Milliarden Galaxien im Universum. Sie alle sind umgeben von einem Kokon aus Dunkler Materie. In ihrer Mitte lauern nimmersatte Schwarze Löcher.


P.M. Magazin - Oktober 2014


Von Mauritius Much


Wie sieht unser Universum eigentlich aus? Diese Frage elektrisierte am 26. April 1920 nicht nur das voll besetzte Auditorium des National Museum of Natural History in Washington, sondern auch die geladenen Duellanten: Harlow Shapley und Heber Curtis, zwei US-amerikanische Astronomen, sollten in einer öffentlichen Diskussion klären, ob die am Sternenhimmel entdeckten Spiralnebel zu unserer Milchstraße gehören oder jenseits ihrer Grenzen liegen. Dahinter verbarg sich eine grundsätzliche Kontroverse: Stellt die Milchstraße das gesamte Universum dar, oder ist sie nur eine von vielen Galaxien im All?


Seit Beginn des 20. Jahrhunderts waren die Astronomen in dieser Frage gespalten. Die Anhänger des einen Lagers sammelten sich am Mount-Wilson-Observatorium nordöstlich von Los Angeles. Sie teilen Shapleys „Big-Galaxy-Hypothese“, wonach die Milchstraße als einzige Galaxie des Universums auch die Spiralnebel beheimatet. Die Verfechter der Gegenseite arbeiteten am Lick-Obervatorium in der Nähe der kalifornischen Stadt San José. Sie unterstützen Curtis‘ „Welteninseltheorie“, nach der die Milchstraße lediglich eine von vielen Galaxien ist. Im April 1920 kulminierte der Streit in einer öffentlichen Diskussion, die als „The Great Debate“ in die Geschichte der Astronomie eingehen sollte.


Beide Kontrahenden hatten an jenem Abend jeweils 35 Minuten Zeit, um ihre Theorie zu präsentieren. Doch so leidenschaftlich sie für ihre Vorstellungen stritten – als Sieger ging keiner hervor. Erst drei Jahre später bewies der Astronom Edwin Hubble ausgerechnet am Mount-Wilson-Observatorium, dem Stützpunkt der Shapley-Anhänger, dass Heber Curtis recht hatte: Hubble gelang es, den Abstand zwischen der Milchstraße und dem Andromedanebel berechnen: Die Entfernung ist so groß, dass er eine eigene Galaxie darstellen muss.


Seitdem wissen wir: Das Universum setzt sich aus vielen Galaxien zusammen.


Derzeit kann man mithilfe von Teleskopen 50 Milliarden von ihnen von der Erde aus sehen. Doch obwohl unsere Milchstraße lediglich eine unter vielen ist, wurde sie zur Namensgeberin für alle Galaxien. Das deutsche Wort Milchstraße leitet sich vom griechischen Adjektiv galaxias (milchig) ab. Schließlich erschien sie schon den alten Griechen mit bloßem Auge wahrnehmbar als ein milchweißes Band am Nachthimmel. Erst Galilei erkannte 1609 mithilfe eines Fernrohres, dass sie aus unzähligen Sternen besteht – zwischen 100 und 300 Milliarden, wie man heute schätzt.


Um das Wesen der Milchstraße und ihrer Geschwister zu beschreiben, bedient sich Andreas Burkert, Professor für Theoretische und Numerische Astrophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, der Metapher von Curtis: „Galaxien sind die Welteninseln im unendlich großen Universum, das sich seit dem Urknall immer weiter vergrößert. Diese Inseln haben sich von der allgemeinen Expansion des Weltraums abgekoppelt und binden größere Mengen von Materie.“ Dazu gehören etwa bei der Milchstraße Planetensysteme und Hunderte Milliarden Sterne, aber auch Gasnebel und Staubwolken.


Jede Galaxie wird von einem großen kugelförmigen Bereich, dem Halo, umgeben. Darin befinden sich Gaswolken und Kugelsternhaufen, in denen Millionen Sterne auf engem Raum erstrahlen. Im Halo konzentriert sich auch die Dunkle Materie, deren Schwerkraft die Galaxie zusammenhält. Dabei handelt es sich wahrscheinlich um eine riesige Ansammlung eines nicht sichtbaren und bisher unentdeckten Typs von Elementarteilchen, vermutet Professor Volker Springel vom Heidelberg Institut für Theoretische Studien.


Die Existenz der dunklen Materie wurde noch nicht direkt bewiesen, ihre Wirkung aber ist indirekt zu beobachten: Ohne diese Elementarteilchen müsste die Geschwindigkeit, mit der die Sterne das Zentrum einer Galaxie umkreisen, umso geringer werden, umso weiter sie davon entfernt sind. Messungen aber zeigen, dass die Umlaufgeschwindigkeit in den äußeren Bereichen einer Galaxie gleich bleibt oder sogar zunimmt. Astrophysiker können sich diesen Effekt nur durch eine Gravitation einer bisher unentdeckten Materieform erklären.


Astronomen unterscheiden zwischen zwei Grundtypen von Welteninseln: Spiralgalaxien und ellpetischen Galaxien. Beide besitzen ein Zentrum, um das sich alle Sterne bewegen. In einer Spiralgalaxie rotieren die Sterne gleichmäßig und in Kreisbahne in einer Scheibe um das Zentrum. Dabei bilden sich nach außen hin schmale Spiralarme aus wie bei einem kreisenden Feuerrad. Das Gas darin verdichtet sich, neue Sterne entstehen. Deshalb erscheinen Spiralarme blau. Astronom Burkert: "Nur junge Sternenpopulationen leuchten bläulich, alte erstahlen rötlich."


Der Zentralbereich einer Galaxie, der Bulge, ist dicker als die Spiralarme. Er strahlt heller, da sich dort sehr viele Sterne konzentrieren. Seinen Mittelpunkt bildet das galaktische Zentrum – in der Milchstraße liegt es im Sternbild des Schützen. Dort befindet sich wohl in jeder Galaxie ein Schwarzes Loch, das Unmengen von Materie aufnehmen kann, aber nichts mehr entweichen lässt.


Im Gegensatz zu Spiralgalaxien haben elliptische Galaxien weder eine Sternscheibe noch Spiralarme. "Die Sterne rotieren auch um ein Zentrum, allerdings in einer beliebigen Richtung und in einer beliebigen Ebene“, sagt Burkert. Dadurch wirken sie wie dreidimensionale Ellipsen. Vermutete Hubble noch, dass sich Spiralgalaxien aus Ellipsengalaxien entwickelt hätten, geht die heutige Forschung vom Gegenteil aus.


„Die Spiralgalaxie ist der Urtyp“, erklärt Springel. Denn nach dem Urknall bildeten sich aus Dunkler Materie die kugelförmigen Halos, die Wasserstoff und Helium durch ihre Anziehungskraft einsogen. Das Gas konzentrierte sich im Zentrum des Halos in einer Scheibe und verdichtete sich zu Sternen. Dadurch sei aus einer Gasscheibe langsam eine Sternscheibe geworden, sagt Burkert.


Eine elliptische Galaxie entstehe dagegen erst, wenn zwei andere Galaxien kollidieren. Dadurch würden die Scheiben im Zentrum zerstört, erklärt Springel. Solche Zusammenstöße kennzeichnen die kontinuierliche Weiterentwicklung von Galaxien. Die Welteninseln sind nicht statisch. Manche driften auseinander, andere ziehen sich an und bewegen sich aufeinander zu.


So erwarten Astrophysiker in fünf bis sechs Milliarden Jahren einen Zusammenstoß zwischen unserer Milchstraße und der benachbarten Andromedagalaxie. „Das hört sich zunächst katastrophal an. Schließlich besitzen beide Galaxien jeweils 100 Milliarden Sterne“, sagt Springel. „Aber unserem Sonnensystem würde wohl nichts passieren.“ Zwischen den Sternen sei so viel Platz, dass ein direkter Zusammenstoß bei einer Galaxienkollision sehr selten sei. Stattdessen würde die Erde, die sich im äußeren Bereich der Milchstraße befindet, mitsamt dem Sonnensystem wohl aus der Galaxie herauskatapultiert, ergänzt Andreas Burkert. „Wir könnten unsere Milchstraße dann erstmals von außen sehen.“


Lang dürfte die Freude aber nicht währen: Denn ungefähr zur selben Zeit wird sich die Sonne zu einem roten Riesen aufblähen, die Erdoberfläche in ein brodelndes Meer flüssigen Gesteins verwandeln - und so jegliches Leben hier auslöschen. 


Kasten: Loch mit Masse

Schwarze Löcher sind Objekte im Weltraum, aus denen praktisch nichts – selbst das Licht – nicht entweichen kann. Grund dafür ist ihre extreme Schwerkraft. Schwarze Löcher können sehr viel Materie schlucken. Je mehr sie davon aufnehmen, desto massereicher werden sie. Die größten ihre Art haben die millionen- oder gar milliardenfache Masse unserer Sonne. Im Zentrum der meisten Galaxien befindet sich ein solches supermassereiches Schwarzes Loch. Jenes in der Mitte der Milchstraße liegt im Sternbild des Schützen und weist 4,3 Millionen Sonnenmassen auf. Befindet sich Materie in seiner unmittelbaren Umgebung, verschluckt es diese. Die Energie, die dabei freigesetzt wird, lässt seine unmittelbare Umgebung so hell erstrahlen wie die gesamte Galaxie - es entsteht ein Quasar. Die allermeisten Sterne laufen trotzdem nicht Gefahr, von dem zentralen Schwarzen Loch geschluckt zu werden: Sie umkreisen das galaktische Zentrum so wie die Erde und die Sonne - nur in zeitlich und räumlich ungleich größerem Maßstab. So können sie nicht dorthin gelangen, wo sie aufgesaugt würden. Auch unserer Milchstraße steht also kein schreckliches Ende im Schlund ihres Schwarzen Lochs bevor. 


Kasten: Allex begann mit einem Knall

Die gängigste und mittlerweile weitgehend anerkannte Hypothese, wie unser Universum entstand, ist die Urknalltheorie. Sie geht auf den französischen Physiker Georges Lemaître zurück. Ihr zugrunde liegt die Vorstellung, dass vor etwa 13,8 Milliarden Jahren in einem großen Knall Materie, Raum und Zeit entstanden. Was vor der Urknall (englisch: Big Bang) war, weiß niemand. Wir wissen noch nicht einmal, ob es ein Vorher gab. Unmittelbar danach war das Universum winzig, aber sehr heiß. Innerhalb von Sekundenbruchteilen dehnte es sich aus und kühlte dabei ab. Noch heute expandiert es kontinuierlich. Nach dem Urknall bilden sich Elementarteilchen wie die Quarks, die anschließend Protonen und Neutronen formten. Nach drei Minuten entstanden erste Atomkerne aus Wasserstoff, Helium und Lithium. Doch erst 400.000 Jahre später war die Temperatur so stark gesunken, dass sich stabile Atome herausbildeten. Eine Million Jahre nach dem Urknall begannen große Strukturen zu entstehen: Aus Dunkler Materie formten sich Halos, in deren Innerem sich Wasserstoff und Helium schließlich zu Sternen und Galaxien ballten.