Galaxien & galaktische Struktur

In der Nacht des 5. Oktober 1923 belichtete Edwin Hubble mit dem 100-Zoll-Hooker-Teleskop am Mount-Wilson-Observatorium in Kalifornien — damals dem größten der Welt — eine fotografische Platte des Andromedanebels. Als er sie am nächsten Tag prüfte, entdeckte er am Rand des Nebels einen Cepheiden — einen Stern, dessen Pulsationsperiode seine wahre Helligkeit verrät, sodass aus seiner scheinbaren Schwäche die Entfernung folgt. Die Zahl war überwältigend: etwa 2,5 Millionen Lichtjahre, weit außerhalb unserer eigenen Galaxie. Andromeda gehörte nicht zur Milchstraße; sie war eine eigene Galaxie — eine Welteninsel, wie Kant solche Gebilde 1755 spekulativ genannt hatte. Damit war die Große Debatte von 1920 entschieden, zwischen Harlow Shapley, für den die Milchstraße das gesamte Universum war, und Heber Curtis, für den die Spiralnebel eigenständige Galaxien waren. Bis 1929 war Hubble noch weiter gegangen und hatte gefunden, dass eine Galaxie sich umso schneller entfernt, je weiter sie entfernt ist — das Hubble-Gesetz —, der erste Beleg dafür, dass das Universum sich ausdehnt.

Die Hubble-Klassifikation (1926) ordnet die Galaxien nach ihrer Gestalt: Elliptische (glatt, kugelig, alte Sterne, wenig Gas), Spiralen (eine Scheibe mit zentraler Verdickung und gewundenen Armen, in der noch eifrig Sterne entstehen), Balkenspiralen (der Typ der Milchstraße) sowie einige Zwischen- und unregelmäßige Klassen. Die Milchstraße ist eine Balkenspirale von rund 100.000 Lichtjahren Durchmesser mit einigen hundert Milliarden Sternen; die Sonne sitzt draußen in der Scheibe, etwa 25.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt. In diesem Zentrum sitzt Sgr A*, ein supermassereiches Schwarzes Loch von rund vier Millionen Sonnenmassen, dessen Masse man aus den Bahnen der Sterne abgewogen hat, die darum herumrasen — eine dreißigjährige Kampagne, die Andrea Ghez und Reinhard Genzel den Nobelpreis 2020 einbrachte. Bemerkenswerterweise birgt fast jede Galaxie mit einer zentralen Verdickung ein solches Schwarzes Loch, und seine Masse folgt der Verdickung eng: je massereicher die Verdickung und je schneller ihre Sterne umherschwirren — ihre Geschwindigkeitsdispersion, die Streuung ihrer Bahngeschwindigkeiten —, desto schwerer das Schwarze Loch. Diese enge Kopplung legt nahe, dass Schwarzes Loch und Wirtsgalaxie auf irgendeine Weise gemeinsam heranwachsen, durch einen bis heute umstrittenen Mechanismus. Unter der Schwerkraft sammeln sich Galaxien zu Gruppen und Haufen — von unserer eigenen Lokalen Gruppe (etwa achtzig Galaxien, beherrscht von Andromeda und der Milchstraße) bis hinauf zum Virgo- und zum Coma-Haufen mit je tausend oder mehr Mitgliedern, umspült von Gas, das Millionen Grad heiß ist und im Röntgenlicht strahlt. Auf den größten Skalen zeichnen die Galaxien ein kosmisches Netz aus Filamenten, das sich um große, leere Hohlräume spannt. Und die folgenreichste Tatsache über all das ist, dass der Großteil der schwerewirksamen Masse unsichtbar bleibt: Spiralgalaxien drehen sich an ihren Rändern zu schnell, als dass ihre sichtbaren Sterne sie allein zusammenhalten könnten, Haufen lenken das Licht dahinterliegender Objekte weit stärker ab, als es ihre sichtbare Materie vermöchte, und Simulationen geben das echte Universum nur dann wieder, wenn sie Dunkle Materie enthalten — unsichtbare Masse, die wir einzig an ihrer Schwerkraft erkennen. Der Dunkle-Materie-Halo einer großen Galaxie wiegt fünf- bis zehnmal so viel wie alles Sichtbare in ihr, und herauszufinden, woraus diese Materie tatsächlich besteht, bleibt eines der zentralen offenen Probleme der Physik.