Galaxien & galaktische Struktur

In der Nacht des 5. Oktober 1923 belichtete Edwin Hubble am 100-Zoll-Hooker-Teleskop des Mount-Wilson-Observatoriums in Kalifornien — dem damals größten der Welt — eine Fotoplatte des Andromedanebels. Beim Durchsehen am nächsten Tag fand er im Außenbereich des Nebels einen Cepheiden, einen Stern also, dessen Pulsationstakt die wahre Helligkeit verrät, sodass seine scheinbare Schwäche die Entfernung preisgibt. Die Zahl war ungeheuerlich: rund 900.000 Lichtjahre, weit außerhalb unserer eigenen Galaxie — und seine Cepheiden-Skala blieb damit noch unter der wahren Entfernung von 2,5 Millionen. Andromeda gehörte nicht zur Milchstraße, sie war selbst eine Galaxie — eine Welteninsel, wie Kant schon 1755 vermutet hatte. Damit war die Große Debatte von 1920 entschieden, zwischen Harlow Shapley, für den die Milchstraße das ganze Universum war, und Heber Curtis, der die Spiralnebel für eigenständige Galaxien hielt. Bis 1929 war Hubble weitergegangen und hatte gefunden, dass eine Galaxie sich umso schneller entfernt, je weiter sie weg ist — das Hubble-Gesetz, der entscheidende Beleg dafür, dass das Universum sich ausdehnt.

Die Hubble-Klassifikation von 1926 ordnet Galaxien nach der Gestalt: Elliptische — glatt, kugelig, alte Sterne, wenig Gas —, Spiralen mit Scheibe, zentraler Verdickung und gewundenen Armen, in denen noch eifrig Sterne entstehen, Balkenspiralen, zu denen die Milchstraße gehört, dazu einige Zwischen- und unregelmäßige Klassen. Die Milchstraße misst rund 100.000 Lichtjahre und hält einige hundert Milliarden Sterne; die Sonne sitzt draußen in der Scheibe, etwa 25.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt. Dort sitzt Sgr A∗, ein supermassereiches Schwarzes Loch von rund vier Millionen Sonnenmassen, abgewogen an den Bahnen der Sterne, die darum herumjagen — dreißig Jahre Beobachtungskampagne, für die Andrea Ghez und Reinhard Genzel 2020 den Nobelpreis bekamen. Fast jede Galaxie mit zentraler Verdickung trägt ein solches Loch, und dessen Masse folgt der Verdickung eng: je massereicher sie ist und je schneller ihre Sterne durcheinanderschwirren — ihre Geschwindigkeitsdispersion, die Streuung der Bahngeschwindigkeiten —, desto schwerer das Schwarze Loch. Die enge Kopplung spricht dafür, dass Loch und Wirtsgalaxie irgendwie gemeinsam heranwachsen; wie, ist bis heute strittig. Unter der Schwerkraft sammeln Galaxien sich zu Gruppen und Haufen — von unserer Lokalen Gruppe mit über achtzig bekannten Mitgliedern, beherrscht von Andromeda und der Milchstraße, bis zum Virgo- und zum Coma-Haufen mit je tausend und mehr Galaxien, umspült von Gas, das Millionen Grad heiß ist und im Röntgenlicht leuchtet. Auf den größten Skalen zeichnen die Galaxien ein kosmisches Netz aus Filamenten, aufgespannt um riesige leere Räume. Und das Folgenreichste an alledem: Der Großteil der Masse, die Schwerkraft ausübt, ist unsichtbar. Spiralgalaxien rotieren an ihren Rändern zu schnell, als dass die sichtbaren Sterne sie zusammenhalten könnten; Haufen lenken das Licht dahinterliegender Objekte weit stärker ab, als ihre sichtbare Materie es vermöchte; und Simulationen treffen das echte Universum nur, wenn Dunkle Materie darin vorkommt — 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 woraus er besteht, gehört zu den zentralen offenen Fragen der Physik.