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Galaxien: Galaxien-Crash klärt die Verhältnisse

Warum leuchten die hellen Quasare am Rande des Universums nur hundert Millionen Jahre lang? Woher stammt überhaupt ihre Energie? Wann entstehen die extrem massereichen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien? Und wie beeinflussen sie die Entwicklung ihrer Sternsysteme? Ein neues Computermodell stellt die Evolution einer typischen Galaxie nach und macht in farbenprächtigen Bildern deutlich, was sich im Laufe von Jahrmilliarden ereignet haben könnte.
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Die Frage lautet "Wieso?" und bezieht sich auf den Status quo der Galaxien im Universum. Die präsentieren sich für gewöhnlich als umfangreiche Sternenansammlungen mit relativ wenig interstellaren Gasen, angeordnet um ein gewaltiges Schwarzes Loch mit der millionen- oder gar milliardenfachen Masse der Sonne. Richten Astronomen ihre Teleskope aber an den Rand des sichtbaren Universums, erblicken sie die so genannten Quasare – quasistellare Objekte, bei denen es sich wahrscheinlich um die hell leuchtenden Zentren früher Galaxien handelt. Wieso gab es also damals diese blendenden Fackeln und heute vor allem jene Massemonster? Wieso sind die Galaxien so, wie sie sind?

Am einfachsten ließe sich die Frage natürlich beantworten, indem man die Entwicklung einer Galaxie vom lockeren Gashaufen bis hin zum voll ausgebildeten System direkt beobachtet und aufzeichnet. Leider stößt dieses Vorhaben auf zwei unüberwindbare Probleme: Zum einen entstehen kaum noch Galaxien innerhalb unseres Sichtfeldes, und zum anderen dauert dieser Prozess mehrere Milliarden Jahre. Keine guten Voraussetzungen für einen Augenzeugenbericht.

Wie so oft in der Kosmologie bleiben nur theoretische Modelle und Computersimulationen. Dass sich damit überzeugende Antworten finden lassen, haben nun Wissenschaftler um Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik gezeigt. Das Team, zu dem auch Forscher von der Carnegie Mellon University und der Harvard University gehörten, kombinierte die Dynamik Schwarzer Löcher mit den Vorstellungen zur Galaxienbildung. Heraus kam eine Simulation, die besser als jemals zuvor die Sturm-und-Drang-Zeit der Sternsysteme wiederspiegelt.

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Kollision zweier Galaxien | Der simulierte Zusammenstoß zweier Galaxien mit zentralen Schwarzen Löchern in Schnappschüssen. Von oben nach unten ist zu sehen, wie die Sternensysteme sich gegenseitig zerreißen und einen Quasar bilden, der das meiste Gas mit einem starken Strahlen- und Teilchenwind nach außen bläst. Übrig bleibt eine Galaxie mit wenig Gas und einem extrem massereichen Schwarzen Loch in der Mitte. (Die Farben spiegeln die Temperatur der Gase von blau (niedrig) bis rot (hoch) wieder, die Helligkeit steigt mit der Gasdichte.)
Den Anfang machen junge Galaxien in deren Zentren sich relativ kleine Schwarze Löcher befinden. Angezogen von ihren Gravitationskräften kollidieren die Galaxien immer wieder. Ihre Schwarzen Löcher verschmelzen dabei und wachsen zu den bekannten Superexemplaren heran. In dieser Umgebung von Crash und wechselnder Gravitation bilden sich die Sterne – nicht unbeeindruckt vom Geschehen auf der großen Bühne.

Die Berechnungen der Wissenschaftler zeigen nämlich, dass die Schwarzen Löcher beim Verschmelzen sehr schnell das reichlich vorhandene Gas der Umgebung aufsaugen. Bei ihrem Sturz ins Verderben strahlt die Materie gewaltige Mengen Energie ab – das Zentrum der frisch vereinigten Galaxie leuchtet hell als Quasar auf. Dieser starke Energiestoß pustet aber wie ein Wind das restliche Gas aus der Mitte in die äußeren Bezirke und damit aus dem unmittelbaren Einfluss des Schwarzen Lochs. Ohne Nachschub erlischt sein extremes Licht, die Zeit als Quasar ist vorbei.

Mit dem Gas ist zugleich das Baumaterial für weitere Sterne verloren gegangen. Besonders schnell geschieht das in kleinen Galaxien, die nur wenig Gas enthalten, bei größeren Systemen mit viel Gas dauert es entsprechend länger. Das zentrale Schwarze Loch reguliert folglich selbst seine spätere Masse und die Anzahl der Sterne in der Galaxie. Damit war erstmals klar, wie die heutigen Galaxien wohl zu ihrem festen Verhältnis zwischen den Massen ihrer Schwarzen Löcher und ihrer Sterne gekommen sind.

Da die simulierte Koevolution von Galaxien und Schwarzen Löchern offenbar recht anschaulich die Beobachtungsdaten der Astronomen erklären kann, planen die Forscher, ihr Modell weiter auszubauen. Denn wenn ein simulierter Crash von zwei Galaxien gut ist, dürfte das Wechselspiel vieler Systeme noch interessantere Aussagen liefern. Wie gut für uns, dass unsere Milchstraße dieses Entwicklungsstadium weitgehend hinter sich hat.
10.02.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 10.02.2005

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