Hintergrund | 02.01.2013 | Drucken | Teilen

Galaxien

Giganten auf Kollisionskurs

Forschern ist es gelungen, die Bewegung der Andromedagalaxie gegenüber dem Milchstraßensystem genau zu messen. Das Ergebnis klingt bedrohlich. Ist es aber nicht.
Milchstraße und Andromeda auf Kollisionskurs

Das Schicksal unserer Galaxis ist besiegelt. Vermutet haben es die Astronomen schon lange, doch nun herrscht Gewissheit: Unser Milchstraßensystem und sein Nachbar M31, die Andromedagalaxie, werden dereinst ineinanderstürzen! Die Galaxien geraten damit zu Protagonisten eines gigantischen kosmischen Schauspiels. Bis es so weit ist, bleibt allerdings noch etwas Zeit: etwa vier Milliarden Jahre. Kollidierende Galaxien – was wie ein kosmischer Super-GAU klingt, ist für die Kosmologen nichts Ungewöhnliches. Im Gegenteil: Galaxienkollisionen prägten zu allen Zeiten das "Antlitz" des Universums – früher noch häufiger als heute oder in Zukunft.

Wie kommt es zu einer solchen Kollision? Zwar dehnt sich das Universum seit seiner Entstehung immer weiter aus und zieht die Galaxien mit sich wie ein aufgehender Hefezopf die unvermeidlichen Rosinen darin. Allerdings: Befinden sich zwei Galaxien recht nahe beieinander, vielleicht nur wenige Millionen Lichtjahre voneinander entfernt, überragt die gegenseitige Anziehung ihrer Schwerkraft den expansiven Drang des Universums. Die Folge: Langsam, aber beständig driften beide Galaxien aufeinander zu. Eine Milliarden Jahre währende Reise nimmt ihren Lauf, immer schneller und schneller, bis die beiden Nachbarn am Ende schließlich zu einer großen elliptischen Galaxie verschmelzen.

Milchstraße und Andromeda auf Kollisionskurs
  Milchstraße und Andromeda auf Kollisionskurs
In vier Milliarden Jahren könnte sich einem Betrachter dieses Bild am Nachthimmel zeigen – sofern dann noch jemand auf der Erde lebt. Zumindest die Künstler der NASA stellen sich so den Zusammenstoß der beiden Galaxien vor.

Ein solches Drama soll auch unserer Heimatgalaxie bevorstehen. Das behaupten Roeland van der Marel und seine Teamkollegen vom Space Telescope Science Institute (STScI). Ihnen ist es gelungen, durch die Kombination von aktuellen und sieben Jahre alten Beobachtungsdaten des Hubble Space Telescope die Bewegung der Andromedagalaxie relativ zum Zentrum der Milchstraße zu bestimmen – und das mit bislang unerreichter Präzision. Und darin, in der Präzision, liegt der Hund begraben.

"Ungefähr" genügt nicht

Dem Prinzip nach ist eine Zukunftsprognose zur Bewegung einer Galaxie kein schwieriges Unterfangen. Ausgefeilte, seit Jahren bewährte und immer weiter verfeinerte numerische Algorithmen übernehmen diese Aufgabe. Selbst die Berechnungen an sich sind im Prinzip eher umfangreich als komplex – wären da nicht die Tücken der Diskretisierung quasi kontinuierlicher Größen wie der Zeit und der Materieverteilung. Zweifellos würde aber ein Numeriker die Aufgabe "Berechnung der künftigen Relativbewegung zweier Nachbargalaxien" als überschaubare Herausforderung ansehen. Neben einem Simulationsprogramm sind dazu lediglich Anfangsbedingungen erforderlich – also die Positionen, Orientierungen und Anfangsgeschwindigkeiten der beteiligten Galaxien. Das meiste davon lässt sich in Zeiten der satellitengestützten Astrometrie sehr zuverlässig bestimmen.

2,5 Millionen Lichtjahre beträgt der Abstand zwischen Andromeda und Milchstraße. Auch die radiale Komponente der relativen Bewegung (also von uns weg oder auf uns zu) von M31 ist aus Messungen der Rotverschiebung recht gut bekannt: 110 Kilometer kommt uns Andromeda in jeder Sekunde näher. Fehlt noch der tangentiale Anteil der Bewegung – und eben darin lag die große Herausforderung für die Forscher. Bislang kannte man nur recht ungenaue Obergrenzen, die je nach Studie zwischen 200 und 60 Kilometer pro Sekunde rangierten.

Sangmo Tony Sohn, Jay Anderson und Roeland P. van der Marel vom Space Telescope Science Institute gelang es nun als Ersten, hinreichend genaue Daten zu ermitteln. Doch wie misst man die Bewegung einer Galaxie quer über den Himmel? Schon die Geschwindigkeiten von Sternen der Sonnenumgebung zu ermitteln, fordert der Kunst der Astrometrie höchste Präzision ab. Andromeda ist immerhin 100- bis 1000-mal so weit von uns entfernt wie die Sterne in unserer Umgebung; die typische Reisegeschwindigkeit einer Galaxie liegt jedoch nur um den Faktor drei bis fünf über der Geschwindigkeitsdispersion (der Bandbreite der vorkommenden Geschwindigkeiten) innerhalb der Milchstraße.

Mit seinen hochauflösenden Instrumenten ist das Hubble Space Telescope für solche Aufgaben prädestiniert. Sangmo Tony Sohn und seine Kollegen richteten das Teleskop dazu auf drei verschiedene Regionen innerhalb der Andromedagalaxie und bestimmten darin Tausende von Sternpositionen gegenüber dem jeweiligen Hintergrund bestehend aus fernen Galaxien. Die Wahl der drei Felder erfolgte nicht zufällig: Von allen drei Regionen existierten bereits HST-Daten aus sieben Jahre alten Beobachtungen. Durch Vergleich beider Datensätze und dank der hohen Auflösung der HST-Instrumente gelang es, die Bewegung der Sternfelder gegenüber dem Hintergrund zu bestimmen. Was die Forscher am Ende fanden: Der Bewegungsvektor der Andromedagalaxie zielt in der Tat in Richtung unserer Milchstraße. Damit gilt es als besiegelt, dass beide Galaxien in ferner Zukunft kollidieren werden.

Mehr Tanz als Kollision

Die Vorstellung einer Kollision zweier Galaxien als kosmisches Ereignis epischen Ausmaßes könnte die Fantasie von Hollywood-Produzenten beflügeln. Wenn schon ein Meteorit die Menschheit an den Rand ihrer Existenz bringen kann, was erst könnte uns beim Zusammenprall unserer Heimatgalaxie mit einem ebenbürtigen Kontrahenten bevorstehen? Die ultimative Apokalypse? Hoffen wir, dass die Macher Hollywoods keinen Wind von der Sache bekommen. Denn als Vorlage für einen Katastrophenschocker à la "Deep Impact" oder "Armageddon" würde das kosmische Tete-a-Tete kaum taugen. Eigentlich ist sogar der aus unserer Erfahrungswelt entlehnte Begriff "Kollision" fehl am Platz. Denn unter einer Kollision verstehen wir gemeinhin etwas Abruptes und vor allem Destruktives. Das englische Wort "merging" (Verschmelzen) beschreibt den Vorgang einer galaktischen "Kollision" weit treffender.

Das wird klar, wenn man die Zeitskala betrachtet, auf der sich eine galaktische Kollision abspielt: Im Moment ihres Aufeinandertreffens, wenn also ihre äußeren Regionen ineinandertauchen, bewegen sich die Galaxien mit grob geschätzten 1000 Kilometer pro Sekunde aufeinander zu. Die beiden Galaxienkerne wären dann etwa 50 000 Lichtjahre voneinander entfernt. Im idealisierten Fall einer geraden Bewegung der beiden galaktischen Kerne würde es etwa 16 Millionen Jahre dauern, bis beide Kerne aufeinanderträfen! Eine wahre Zeitlupenkollision – wenn auch recht rasch auf kosmischen Zeitskalen.

Doch ganz so einfach wird das Ereignis nicht verlaufen. Mit hoher Wahrscheinlichkeit werden sich beide Galaxien nach einer ersten Annäherung zunächst verfehlen und wieder voneinander entfernen, so das Ergebnis von numerischen Simulationen, die van der Marel und seine Kollegen auf der Basis der neuen Beobachtungsdaten durchgeführt haben. Das Aussehen der beiden Spiralgalaxien wird sich bereits massiv verändern: Riesige, in die Länge gezogene Gezeitenarme werden dann von der Nahbegegnung zeugen. Die Gravitation sorgt im Weiteren dafür, dass die Verschmelzungskandidaten kehrtmachen, sich abermals aufeinander zu bewegen und zuletzt verschmelzen. Ästhetisch bedeutet ein solches Ereignis einen Verlust für das Universum: Aus den beiden ehemals majestätischen Spiralgalaxien ist nun eine einzelne plumpe elliptische Galaxie geworden.

Und was soll dann aus uns werden?

Obwohl insgesamt mehrere hundert Milliarden Sterne an dem Prozess beteiligt sein werden, wird es kaum zu Sternkollisionen kommen. Der Grund liegt in der schieren Größe der Sternzwischenräume: Denkt man sich die Sonne auf die Größe einer Murmel von 1,4 Zentimeter Durchmesser geschrumpft (ein Hundertmilliardstel ihrer wahren Größe), irgendwo in Frankfurt am Main liegend, dann läge der nächste Nachbarstern unserer Sonne, Proxima Centauri, mehr als 400 Kilometer davon entfernt, zum Beispiel in Berlin.

Eine wesentliche Eigenschaft von Galaxienkollisionen rührt her von der stoßfreien Dynamik, welche die Bewegungen der einzelnen Sterne charakterisiert. Diese sind nämlich nicht allein durch die Gravitationskraft ihrer nächsten Sternnachbarn beeinflusst, sondern vielmehr durch das kollektive, großräumige Schwerefeld aller Sterne, aller Gaswolken und aller Dunklen Materie der Galaxie. Daran ändert sich auch nichts, wenn sie das Schwerefeld einer zweiten Galaxie, des Kollisionspartners, überlagert.

Auch während der Kollision ist das Gravitationspotenzial in der Sonnenumgebung jederzeit glatt, das heißt, die Sonne erfährt keine abrupten Beschleunigungen, jedoch verändert es sich langsam. Ein Umstand, der das Überleben unseres Sonnensystems garantiert: Die Wahrscheinlichkeit, dass im Zuge der Galaxienverschmelzung ein massereicher Stern der Sonne zu nahe kommt und unser Sonnensystem zerreißt, ist äußerst gering. Allenfalls die äußeren Planeten, Kuipergürtel und die Oortsche Wolke am Rand des Sonnensystems könnten unter den Einfluss naher Sterne geraten.

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Um zu beurteilen, was mit dem Sonnensystem als Ganzem geschieht, analysierten die Forscher um van der Marel die Bahnen von simulierten Sternen, deren Ausgangspositionen etwa der aktuellen Position der Sonne in der Milchstraße entsprachen. Ergebnis: 85 Prozent der Teststerne gerieten im Verlauf der Kollision auf eine weiter außen gelegene Bahn um das neue galaktische Zentrum – und haben damit das wahrscheinliche Schicksal der Sonne vorgezeichnet. Allerdings wird die Sonne nicht zwingend in dieser Distanz zum galaktischen Zentrum verharren. Anders als bei Spiralgalaxien können die Sterne in elliptischen Galaxien Bahnen sehr hoher Exzentrizität einnehmen. Daher könnte der Abstand der Sonne vom galaktischen Zentrum im Lauf der Zeit extrem schwanken.

Menschen auf der Erde würden wegen der Trägheit des Geschehens von den geschilderten Ereignissen wenig mitbekommen. Lediglich der Anblick des Himmels dürfte in einigen Milliarden Jahren weit aufregender sein als heute, wenn die Gestalt der mächtigen, dann deutlich sichtbaren Andromedagalaxie das nächtliche Firmament dominiert. Unwahrscheinlich ist allerdings, dass zu dieser Zeit überhaupt noch Menschen auf der Erde leben.

Denn allein bis zur ersten Nahbegegnung zwischen den Galaxien wird es noch etwa vier Milliarden Jahre dauern. Selbst wenn uns bis dahin keine hausgemachten Probleme den Garaus machen, wird uns schon vorher die Entwicklung der Sonne zum Verhängnis werden: Bereits in etwa 500 Millionen Jahren, davon gehen Sonnenforscher aus, dürfte die Intensität der Sonnenstrahlung so hoch sein, dass Wasser von der Erde verdampfen und jegliches Leben verschwinden wird.

© Spektrum.de
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