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Inselgruppen in kosmischen Tiefen

Galaxienhaufen sind die größten uns bekannten dichten Ansammlungen von Milchstraßensystemen. Auf den ersten Blick scheinen sie statische Gebilde zu sein. Doch für die Astronomen spiegeln sie Vergangenheit und Gegenwart des Kosmos wider, erlauben gar einen Blick in die Zukunft des Universums.
Die Antennen-Galaxien – aufgenommen vom Hubble-Teleskop. Dieses Konglomerat bildet ein Paar stark miteinander wechselwirkender Galaxien im Sternbild Rabe. Foto: Hubble/European Space Agency (Hubble/European Space Agency) Die Antennen-Galaxien – aufgenommen vom Hubble-Teleskop. Dieses Konglomerat bildet ein Paar stark miteinander wechselwirkender Galaxien im Sternbild Rabe.
Berlin. 

Sie heißen nach den Sternbildern, in denen sie beheimatet sind, Virgo-, Fornax- und Coma-Galaxienhaufen. Weit mehr als 1000 einzelne Milchstraßensysteme, die ein Gebiet von zehn bis 20 Millionen Lichtjahren einnehmen, sind in diesen größten Ansammlungen sichtbarer Materie enthalten. Hier unterteilen sie sich wieder in einzelne Gruppen von weniger als 50 Mitgliedern. So gehört unsere Milchstraße zusammen mit der Andromedagalaxie und 60 Zwerggalaxien sowie einigen kleineren Galaxien zur sogenannten Lokalen Gruppe. Sie wiederum ist Teil des anfangs genannten Virgo-Haufens und dieser eigentlich Bestandteil des Laniakea-Superhaufens.

Aber nicht genug damit: Betrachtet man das Universum aus entferntester großräumiger Perspektive, zeigt sich, dass die Galaxienhaufen sich um gewaltige Leerräume gruppieren, den sogenannten Voids, und durch Filamente miteinander verbunden sind. Das Universum bekommt auf diese Weise eine schaum- oder wabenartige Struktur, aufgebaut aus rund zweihundert Milliarden Galaxien. Kürzlich erst hat ein internationales Team von Astronomen mit den Eso-Teleskopen in Zusammenarbeit mit anderen Observatorien rund um den Globus und Auswertung der Daten des Esa-Röntgensatelliten XMM-Newton ein Bild der dreidimensionalen Verteilung dieser Sternsystemkonzentrationen geliefert: die XXL-Durchmusterung.

Die in diesen Konzentrationen vereinigten Sterne und damit letztlich die durch sie gebildeten Galaxien haben unterschiedliche Alters- und Entwicklungsstufen. So ist ein Galaxienhaufen eine einigermaßen repräsentative Stichprobe des kosmischen Materials. Es ist auch deshalb von Interesse, da ihr Aufbau vermutlich von den fremdartigen Bestandteilen des Universums beeinflusst wird – der Dunklen Materie und der Dunklen Energie.

Zudem hängen – vermittelt durch die weitreichende Gravitationskraft – die Größe der Galaxienhaufen und die Zeitskala, auf der sie sich bilden, direkt mit dem Aufbau und der Entwicklung des Universums zusammen. Wenn also die Astronomen heute mit modernsten erdgebundenen und satellitengestützten Observatorien Galaxien und Galaxienhaufen untersuchen, so erhalten sie Einblicke in drei der bedeutendsten Problemfelder der Kosmologie: Wie ist die Zusammensetzung, wie verlief die Strukturbildung und wie könnte die künftige Entwicklung des Universums aussehen?

Hubble genügt nicht

Irdische Hightech-Fernrohre und Weltraumobservatorien wie Hubble allein reichen dafür nicht aus: Galaxienentstehung und -entwicklung lässt sich nur mit Computermodellen simulieren, die direkte Beobachtung bietet immer nur eine Momentaufnahme. Kosmische Prozesse laufen auf ganz anderen Zeitskalen ab. Ein Blick in die größten Tiefen des Universums ist somit auch eine Reise zurück in die Zeit, da das Licht Zeit braucht, um die riesigen Distanzen bis zur Erde zu überwinden. So ist der Virgohaufen 54 Millionen Lichtjahre entfernt; der Fornaxhaufen 60 Millionen und der Coma-Haufen 400 Millionen Lichtjahre. Den Rekord bildet jedoch ein Galaxienhaufen in 9,6 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Und das ist bis kurz nach der Geburt des Universums.

Galaxien sind Welteninseln unterschiedlicher Form, Größe und Masse. So gibt es große Galaxien „Giant Galaxies“ genannt. Es sind elliptische Galaxien und die größten im Universum. Ferner gibt es Spiralgalaxien, zu denen unsere Milchstraße gehört (mit rund 200 Milliarden Sonnen) und kleinere; die zuletzt genannten sind Zwerggalaxien – auch als „irreguläre Galaxien“ bezeichnet. Sie besitzen viel weniger Masse, also viel weniger Sterne. Ein Beispiel sind die Große und Kleine Magellansche Wolke.

Galaxienhaufen sind von dichten Zentralregionen mit meist elliptischen Galaxien geprägt, um die sich die restlichen Mitglieder in Gruppen verteilen. Der Rand wird meist von Spiralgalaxien als Gruppen- oder Feldgalaxien bevölkert, die offensichtlich nicht Teil einer Gruppe oder Haufens sind.

Da eine Galaxis eine durch Schwerkraft zusammengehaltene Materieansammlung ist – Gas, Staub, Planeten und Sterne – lässt sich aus Form und Farbe dieser Systeme aufs Alter schließen: Elliptische Galaxien haben ein sehr hohes Alter, bestehen sie doch aus massearmen Sternen, denn die massereichen sind schon alle explodiert. Da das Licht massearmer Sterne rot ist, sind diese Galaxienarten eher rötlich. Hingegen sind Spiralgalaxien sehr blau, weil dort noch sehr viele junge Sterne vorhanden sind. Hier entstehen immer noch neue Sterne, wie zum Beispiel in den Spiralarmen unserer Milchstraße.

Wann entstanden die Galaxien? Wer das fragt, muss sich ansehen, wann die meisten Sterne entstanden – das war vor rund zehn Milliarden Jahren, kurz nach dem Urknall vor rund 13,7 Milliarden Jahren. Damals war das Universum nur mit heißem Gas, vor allem Wasserstoff und Helium, angefüllt. Zu diesem Zeitpunkt haben sich wahrscheinlich die meisten Sterne gebildet und auch hauptsächlich die massereichen Galaxien.

Zusammengehalten werden die sich bewegenden Sternsysteme durch Schwerkraft der immer noch geheimnisvollen Dunklen Materie. Sie macht rund 80 Prozent der Masse eines Galaxienhaufens aus. Ein Teil von ihr (15 Prozent) zeigt sich als Röntgenstrahlung eines dünnen, 10 bis 100 Millionen Grad heißen Gases, das den Raum zwischen den Sternsystemen erfüllt. Da auf ihn ein größerer Masseanteil als auf die sichtbare Komponente der Galaxien entfällt, ist der Begriff „Galaxienhaufen“ unzutreffend. Vielmehr sind es riesige Gaswolken, in denen die Sternsysteme eingebettet sind, wie die Kerne in einer Wassermelone.

Galaxienhaufen sind Teil einer viel umfangreicheren Sequenz, nach der sich kosmische Strukturbildung vollzieht: Sternhaufen vereinigen sich zu Sternsystemen; kleine Galaxien verschmelzen zu größeren, Galaxien bilden Gruppen, die sich wiederum zu Haufen zusammenfügen. Und wahrscheinlich werden sich die Galaxienhaufen in Zukunft zu noch größeren Strukturen vereinen. Vielleicht aber kommt es nicht zu diesem Schritt, denn das Universum dehnt sich unter dem Einfluss der Dunklen Energie immer weiter aus und das mit steigender Geschwindigkeit. Damit dürften die Abstände zwischen den Haufen immer größer werden und somit das Universum immer dunkler.

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