Gymnasium Francisceum Zerbst

Autor:
Eric Wesenberg

Fach:
Astronomie
Kurs:
Wahlpflichtkurs Astronomie
Kursthema:
Galaxien

 

Hausarbeit

Galaxien - Entstehung und Schicksal

 

 

Inhaltsverzeichnis

 

1. Geschichte
Die Entdeckung

2. Galaxien

Interstellare Materie
Dunkle Materie

3. Die Entstehung von Galaxien  

Der Urknall - Zeitplan
Top- Down- Modell
Bottom- Up- Modell

4. Einteilung der Galaxien

Einteilung nach Edwin Hubble
Elliptische Galaxien
Spiralgalaxien
Balkengalaxien
Linsengalaxien
Irreguläre Galaxien
Zwerggalaxien

5. Das Schicksal der Galaxien

6. Literaturverzeichnis
 

 

Einleitung:

In meiner Hausarbeit über das Thema Galaxien, werde ich versuchen darzustellen, was Galaxien im eigentlichen sind, die Typen vorstellen, etwas zu ihrer Entdeckung sagen, und das ganze bis hin zu ihrem Schicksal abhandeln. Nebenbei werden einige Begriffe erklärt die ich in meiner Hausarbeit verwenden werde, wie zum Beispiel die dunkle Materie oder die interstellare Materie.

1. Geschichte: Die Entdeckung

Um zu den Entdeckungen der Galaxien zu kommen, müssen wir erst einmal die Auffassungen des Universums der damaligen Zeit behandeln.

Zuerst nahm man an, die Sonne ist ein Wagen, der um die Erde (die damals noch als Scheibe angesehen wurde) fährt. Jedesmal wenn sie untergeht, beginnt ein Kampf in der Unterwelt. Doch was geschähe wenn die Sonne den Kampf mal verlieren würde? Es wäre für immer dunkel. Dies wandelte sich dann dazu, das man meinte, Das Aufgehen und Untergehen der Sonne, sei eine Laune Gottes.

Doch dem Mensch des 21. Jahrhunderts bereitet es Schwierigkeiten, die Auffassung der damaligen Kosmologie zu glauben.

Das erste Universum, das dem unseren immerhin schon in Ansätzen ähnelt, entwarfen die Griechen. Ausgehend war ein griechischer Astronom mit dem Namen Claudius Ptolemäus. Er lebte im 2. Jahrhundert nach Christus in Alexandria.

Sein Universum sah so aus: Aufgebaut ist das Universum aus Sphären, wobei die Erde den Mittelpunkt des Universums darstellt. Um die Erde herum drehen sich kristallene Sphären, die Mond, Sonne und die anderen Planeten tragen. In seinem Universum bewegte sich jede Sphäre mit einer eigenen Geschwindigkeit, um den Bezug zu den Fixsternen zu erklären, die auf der äußersten Sphäre liegen. Diese bewegt sich mit etwas mehr als eine Umdrehung pro Tag. Durch die eine Umdrehung konnte man erklären, warum sich die Sterne am Nachthimmel bewegen, und das Extra sorgte dafür, das am Winter- und Sommerhimmel verschiedene Sterne zusehen waren.

Das Universum des Ptolemäus beruht auf 2 Gedanken der damaligen Zeit.

Erstens: Der Geozentrismus, die Erde ist der Mittelpunkt des Universums

Zweitens: Die himmlische Bewegung verläuft auf Kreisen

Nur wenn die Erde der Mittelpunkt wäre, ließe sich das Universum auf einen relativ kleinen Raum beschränken. Wenn die Erde allerdings um die Sonne kreist, muß das Universum einfach größer sein. Erklären lässt sich dieser Sachverhalt mit einem Effekt, den man Parallaxe nennt.

Zu erklären ist dies einfach an einem Beispiel:

Man streckt seinen rechten Arm aus, und zeigt mit dem Zeigefinger auf irgendein Objekt. Schließen sie nun ein Auge (z.B. das Rechte), und richten sie ihren Finger wieder nach dem Objekt aus. Nun öffnen sie das andere Auge (das Rechte), und schließen sie das erste (das Linke Auge). Sie werden bemerken, das sie nicht mehr auf den gleichen Punkt zeigen. Dies ist aber keine Magie, sondern einfache Geometrie.

Im Mittelalter passte das Universum des Ptolemäus perfekt in das Denken hinein, so das es ohne große Überlegungen integriert wurde.

Doch irgendwann musste dieses Bild des Universums vertrieben werden. Man bemerkte Mängel. Wenn man versucht hat, die Position von Planeten zu berechnen, und man stellte dann fest, das die gar nicht dort sein dürften.

Dann kam Nikolaus Kopernikus, eigentlich eher ein Mathematiker als Astronom, der versuchte das System umzustellen, nach einem Universum das genauso gut funktionieren würde wie das des Ptolemäus, aber wo sich die Erde um die Sonne dreht.

Man rückte nun die Sonne in den Mittelpunkt, und die Planeten bewegen sich um sie herum.

Nun wurde der Menschheit klar, das sie nicht der Kaiser im Universum sind, sondern sich mit 5 (damalig bekannten) weiteren Planeten, um die Sonne bewegen. Es muss für die damaligen Menschen ein Schock gewesen sein. Sie sind nun nicht mehr das Zentrum des Universums. Nein unsere Sonne ist auch nicht das Zentrum, nicht mal das unserer Galaxie. Wir befinden uns sogar recht weit entfernt vom Mittelpunkt unserer Galaxie.

Kommen wir nun aber zur Entdeckung der Galaxien.

Als die Sonne aus dem Zentrum des Universums verschwand, stellten die Menschen der damaligen Zeit Vermutungen über den Aufbau des Universums an. Man könnte die Astronomen des Achtzehnten und Neunzehnten Jahrhunderts vergleichen mit einem Menschen der einen Kontinent entdeckt hat. Man muss das neue Gebiet erfassen, vermessen und kartographieren. Durch die Weiterentwicklung der Teleskope konnte man noch mehr entdecken, und die Entdeckungen häuften sich rapide.

Nun kam man zu zwei zentralen Fragen. Die Erste lautete: Wie groß ist die Milchstraße? Und die zweite: Gibt es noch andere Galaxien?

Geht man in einer Sommernacht nach draußen und schaut in den Himmel, wenn er unbewölkt ist, kann man unsere Galaxie, die Milchstraße erkennen. Ein Band aus einer schier unbegrenzten Zahl von Sternen.

Der englische Naturphilosoph Thomas Wright stellte Überlegungen an, die die ersten brauchbaren Anhaltspunkte für die Struktur unserer Galaxis erbrachte. Er meinte, Gott hat ein vollkommenes Universum geschaffen, und deshalb muss es Sphären geben. Er versuchte den Kreis wieder in das Universum zu integrieren, nachdem Newton′s Nachfolger berechnet hatten, das die Planeten auf Ellipsen um die Sonne laufen.

So sah Wright` s Universum aus. Die Sterne (hier der blaue Bereich sind alles Sterne), befinden sich zwischen 2 Sphären. Wir, also die Menschen befinden uns irgendwo in der Sternenwelt, also irgendwo zwischen den beiden Sphären. Schauen wir nun in eine Richtung die tangential zur inneren Sphäre verläuft, sehen wir viele Sterne. Blicken wir am Radius entlang, sehen wir nur wenige. Damit wollte er die Existenz der Milchstraße erklären.

Nicht grade sehr viele Wissenschaftler folgten diesem Beispiel.

Der erste moderne Versuch, die Milchstraße zu erforschen, wurde von Friedrich Wilhelm Herschel unternommen. Er drehte sein Teleskop in eine bestimmte Richtung am Himmel und begann die Sterne zu zählen die er sah. Herschel nahm an, dass das Universum flach und unregelmäßig geformt sei.

Dies ist eine Skizze von Herschels Universum. Sie zeigt die Umrisse, die Sterne muss man sich vorstellen.

Die Vermessung schritt weiter voran. Nebenbei machte man viele weitere Entdeckungen. Unter anderem machte man Entdeckungen, die man als Nebel bezeichnete. Schaut man sich, zum Beispiel, das Sternbild Andromeda an, kann man im Winterhimmel, einen Nebel erkennen. Für einen Stern sind diese verschwommenen Lichtflecken zu groß. Allerdings sind sie nicht sehr hell.

Immanuel Kant schlug 1755 eine These vor, in der er behauptete, diese Nebel könnten weitere ,,Weltgebäude" oder ,,Weltinseln" sein. Er meinte mit diesen zwei Begriffen natürlich Galaxien.

William Parsons ließ 1845 ein Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 1,80 Meter bauen. Er entdeckte unter anderem, das viele dieser Nebel spiralförmig waren. Auch heute noch erinnern seine Skizzen an moderne Photographien von Galaxien, denn die flachen Scheiben mit den spiralförmigen Armen sind deutlich zu erkennen. Damit ließ seine Arbeit, die bisher vergessene These von Kant über weitere ,,Weltinseln" wieder entflammen.

Die Entdeckungen machten weiter Fortschritte. Man entdeckte neben Spiralgalaxien auch unregelmäßige Galaxien, in der zweiten Hälfte des Neunzehnten Jahrhunderts.

Doch nun machte sich ein weiteres Problem stark, nämlich wie kann man ihre Größe und die Entfernung bestimmen?

Das Problem in der Astronomie ist, das man nicht einfach ein Lineal nehmen kann und anfangen zu vermessen. Man muss je nach Entfernung ein anderes Lineal verwenden, jedes mit einem anderen Entfernungsmaßstab. Ich will dies mal etwas näher erläutern. Für einen relativ nahen Bereich nimmt ein erstes Lineal, bis man seine Grenzen erreicht hat. Dann nimmt man ein 2., dessen Maßstab sich mit dem ersten Lineal überlappt, denn man muss die

beiden zusammen irgendwie kalibrieren können. Dies könnte klappen, macht aber doch einen relativ erniedrigenden und behelfsmäßigen Eindruck.

Gegen Ende des Neunzehnten Jahrhunderts, wurden zwei Maßstäbe verwendet, um die Entfernung zu den Sternen zu bestimmen. Der einfachste beruht auf der Triangulation. Dabei wird der Winkel zu einem Stern relativ zu weit entfernten Hintergrundsternen einmal von Position A der Erde und 6 Monate später von Position B aus gemessen. In der Skizze erkennt man das ganz deutlich. Der gelbe Stern stellt dabei die Sonne dar, und der blaue Stern, zu dem soll die Entfernung bestimmt werden.

Mit dieser Methode ist es möglich die Entfernung Bis zu 150 Lichtjahren zu bestimmen.
(Nur ein ganz kleiner Teil der Milchstraße)

Der zweite Maßstab setzt den Einsatz von komplizierter Geometrie und der Messung von scheinbarer Sternbewegung voraus.

Mit diesem zweiten Maßstab, gelang es Astronomen einen weiteren Maßstab zu entwickeln, der bis zu mehreren hundert Lichtjahren ausreicht. Aber auch nur ein kleines Stück von ganzen Kuchen.

Doch zur Lösung des Nebelproblems kam ein ganz anderer zum tragen. 1908 entdeckte Henrietta Swan Leavitt eine Besonderheit bei sogenannten ,,Delta-Cepheiden". Diese Sterne weisen einen Veränderung auf. Sie zeigen eine regelmäßige Veränderung ihrer Helligkeit. Genauer gesagt: sie leuchten auf, verblassen, und leuchten erneut auf. Man stellte fest: Um so heller der Stern ist, desto länger dauert auch die Pulsation. Bei längerer Beobachtung kann man feststellen wie hell ein Stern ist. Vergleicht man diese Zahl mit der Lichtmenge, bekommt man heraus, wie weit er nun von uns entfernt ist. Mit dieser Methode kann man Entfernungen von mehreren hundert Millionen Lichtjahren messen, und nun endlich auch ausserhalb der Milchstraße.

Noch in den frühen 20er Jahren nahm man an, das die Sonne im Zentrum unserer Milchstraße liegt, oder zumindest in der Nähe. Das lag daran, das Daten falsch interpretiert wurden.

Der amerikanische Astronom Harlow Shapley war es, der die Größe der Milchstraße schon annähernd bestimmt hat. Shapley entdeckte, das unsere Milchstraße von mehreren Kugelsternhaufen umgeben ist. Durch die neuesten Teleskope damals, war es relativ einfach diese Haufen zu entdecken. Man fand heraus, das sich die Kugelsternhaufen zu einer Himmelshalbkugel hin konzentrierten. Daraufhin stellte Shapley eine These auf die wie folgt lautete:

In Wirklichkeit seien diese Haufen gleichmäßig in der Milchstraße herum verteilt. Deshalb gebe es nur einen einzigen Weg, die Beobachtungen zu erklären: Erstens müsse unsere Galaxis viel größer sein als zuvor angenommen, und zweitens könne unsere Sonne auf keinen Fall den Mittelpunkt bilden.

(heute nehmen wir an das im Zentrum der Milchstraße ein Schwarzes Loch sein müsste)

Damit nähern wir uns unserer Auffassung über die Milchstraße.

Shapley schätze die Größe auf ungefähr 100.000 Lichtjahre, und unsere Sonne liegt auf einem Drittel des Weges zum Rand. Mit dieser Entdeckung, wurde auch der letzte Rest von Geozentrismus aus dem Bereich der Wissenschaft verdrängt.

1923 wurde die Frage nach dem Wesen der Spiralnebel endgültig geklärt. Einer der ersten Astronomen dem das 2,5 Meter Teleskop auf dem Mount Wilson bei Los Angeles zur Verfügung stand war Edwin Hubble. Damit machte er einzelne Sterne in nahe gelegenen Galaxien auszumachen. Dabei stützte er sich auf die Erkenntnisse von Leavitt und der Pulsation und Leuchtkraft. Hubble wies nach, das die Entfernung zu diesen Sternen in Lichtjahrmillionen gemessen werden müsste.

Damit mussten die Grenzen für unser Universum mal wieder weiter gesteckt werden, und die anderen ,,Welteninseln" waren auch viel weiter entfernt, als man es annahm oder für möglich hielt.
Die Spiralnebel sind wahrhaftig Galaxien wie unsere Milchstraße. Und die Nebel mit relativ wenigen Sternen, das sind Gaswolken in unserer eigenen Galaxie. Für diese Feststellung brauchte man Teleskope, die die unterschiedliche Entfernung ermitteln konnten. Aber nun ist dieses Problem gelöst.

2. Galaxien

So wir haben nun einiges über die Entdeckungen der Galaxien gehört. Doch nun will ich klären was nun eine Galaxie ist und woraus sie besteht.

In kosmischen Maßstäben gesehen, wird es wohl so gut wie überhaupt nicht vorkommen, das ein Stern irgendwo allein im Universum steht. Er ist meistens ein Mitglied in Doppel- oder Mehrfachsternsystemen und/oder er gehört zu einem Sternhaufen. Diese Haufen können sich zu einer Galaxie zusammenballen, wobei eine Galaxie aus 10 bis 100 Milliarden Sternen und mehr bestehen kann, nur um mal eine Schätzung abzugeben, wie viele Sterne eine Galaxie ,wie unsere Milchstraße, beinhalten kann.

Eine solche Galaxie besteht aber nicht nur aus Sternen, Planeten und Sternhaufen. Sie enthält auch den Grundbaustoff der Sterne: Wasserstoff- und Heliumgas in großen Materieansammlungen, denn ohne würde es gar keine Sterne geben. Diese werden, wie auch der ganze übrige interstellare Raum, mit den ,,Ausscheidungen" der Sterne angereichert, wozu auch der Sternwind und abgestoßene Hüllen zählen. Diese Interstellare Materie (auf diesen Begriff komm ich später noch einmal zurück) dient wiederum zum bilden neues Sterne. Darüber hinaus ergaben Messungen der Bewegung der Sterne innerhalb von Galaxien, dass sich ausserhalb derselben noch in Form von Halos ungeheuer große, unsichtbare Materieansammlungen gibt, die von den Wissenschaftler als die mystische Dunkle Materie bezeichnet wird. Warum mystisch? Wir werden sehen!

Im Zentrum der Galaxie, dem Kern, stehen die Sterne relativ dicht beieinander, das ist der Grund warum diese Region auch die ist, die die höchste Leuchtkraft aufweist. Je nach Art der Galaxie, gehen vom Kern aus Spiralarme oder Balken ab.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, das im Zentrum der Galaxis, ein schwarzes Loch steht, so wie bei der Andromeda Galaxie vermutet wird, wie auch in unserer eigenen, der Milchstraße, aber dazu später.

Wer jetzt denkt, jede Galaxie schwirrt für sich im Weltall rum, der liegt falsch. Galaxien sind Teil eines Systems, denn sie gehören zu Galaxiehaufen, die auch Cluster genannt werden. In solchen Haufen gibt es eine Anzahl von Galaxien, die von einer Handvoll bis zu mehreren tausend Galaxien reicht. Und es kommt noch besser. Die Cluster vereinen sich zu der größten bekannten Struktur im Universum, den Superclustern. Und zu den Superclustern ballen sich wiederum viele Haufen zusammen. Die Dimensionen, von denen hier gesprochen wird, liegen im und über dem Bereich von Millionen von Lichtjahren.

Wenn man sich das mal anschaut, kann man Vergleiche ziehen.

Atomkerne sind von Elektronen umgeben, und Sterne von Planeten.
Mehrere Atome bilden Moleküle, die Sterne ballen sich zu Haufen.
Viele Moleküle bilden eine Zelle, die Haufen wachsen zu Galaxien zusammen.
Viele Zellen ergeben z.B. ein Huhn, und viele Galaxien einen Haufen.
Viele Hühner ergeben eine Schar, und wiederum viele Galaxien bilden einen Supercluster.

Kann das Zufall sein? Ich glaube eher nicht.

Wollen wir nun ein paar Worte über die Interstellare Materie verlieren.

Interstellare Materie ist der Geburtsort der Sterne, zum Beispiel der große Orion-Nebel.

Nur woraus besteht diese Materie?

Interstellare Materie besteht aus vielerlei Komponenten. Aber vor allem aus Wasserstoff, Helium (nötig für die Kernfusion), Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Silizium, und viele andere. Man kann aber genauso gut Moleküle antreffen. Das heißt Wasser, Kohlenmonoxid, Methan oder Essigsäure. Solche Moleküle entstehen durch einen Katalysator, der im Universum von kosmischen Staub gestellt wird.

In der Milchstraße finden wir neben reinen Wasserstoffwolken auch Wolken, die aus Molekülen bestehen. Die mittlere Zusammensetzung der Materie, die nur eine geringe Dichte aufweist, ist dabei

60 % Wasserstoff
38 % Helium
2 % alle andere Elemente

Weiterhin muss man dann noch unterscheiden zwischen leuchtenden Nebeln, welche durch Strahlung benachbarter Sterne angeregt werden, und solcher Nebel, die das Licht anderer Sterne absorbieren, genannt Dunkelwolken. Diese Dunkelwolken strahlen aber dennoch Radiostrahlung aus.

Kommen wir nun weiter zur sogenannten Dunklen Materie.

Wenn man die Bahngeschwindigkeit von Wasserstoffwolken in einer Galaxie um den Kern herum misst, sollte man herausfinden (dank der Gravitationsgesetze von Newton), dass die inneren, dem Zentrum nahen Wolken mit deutlich höherer Geschwindigkeit rotieren als die Wolken, welche sich schon jenseits der sichtbaren Scheibe befinden.

Diese Geschwindigkeit müsste mit der Quadratwurzel des Abstandes abfallen. Das müsste man auch anhand der sichtbaren Masse rechnerisch nachvollziehen können. Dies kann man versuchen sooft man will, das wird nie zutreffen. Nun stellt sich die Frage ob uns Newton oder Einstein mit ihren Gesetzen verwirren wollten. Stimmen diese etwa nicht? Keine Angst, denn die Schuld daran trägt sie Dunkle Materie. Denn es ist, als wenn die Gaswolken die gravitative Wirkung ausserhalb der Galaxie befindlicher Materie spüren würde.

Und genau das ist der Grund für die viel zu hohen Bahngeschwindigkeiten. Die unsichtbare Masse (auch Dunkle Materie genannt) lässt sich bei vielen Galaxien nachweisen, bisher aber nur mit der oben beschriebenen Methode. Ansonsten versucht diese Materie so gut wie es nur geht anonym zu bleiben, und sie verrät durch wirklich nichts ihre Anwesenheit, aber sie muss da sein. Diese Materie emittiert absolut keine Strahlung, was es eben so schwer macht sie ausfindig zu machen. Aber sie muss da sein, und ihre Masse muss riesig sein. Wissenschaftler schätzen sie um den Faktor 5 bis 10 höher, als die gesamte beobachtbare Masse der Galaxie, also wenn es gut kommt so 90 %.
Auch anders wo kann man die Anwesenheit der Dunklen Materie berechnen, aber eben nur berechnen.

Dunkle Materie ist, laut Berechnungen, auch in Galaxiehaufen vorhanden, dabei hat sie 5 bis 10 mal mehr Masse als die gesamte leuchtende Materie dort. Bisher hat man von der dunklen Materie, an der kritischen Dichte, einen Anteil von 20 % berechnen können.

Dabei möchte ich ein Zitat des Trägers des Titels ,,Lukasischer Professor" und des berühmten Physikers Stephen Hawking hinzuziehen. Dieser sagte, als jemand ihm erzählt hat, man habe alle dunkle Materie gefunden:
,,Vor zwanzig Jahren hattet ihr zwei Prozent. Heute habt ihr dreißig Prozent. Geht lieber raus und schaut noch mal nach!"

Doch nun stellt sich zweifellos die Frage, woraus die besagte dunkle Materie überhaupt besteht. Darüber rätseln die Wissenschaftler auch heute noch, denn man kann nur Vermutungen darüber anstellen, da sie ihre Eigenschaften nicht verrät.

Ich will hier nun einige Spekulationen aufführen und erläutern:

Supersymmetrische Teilchen - Photinos, Squarks etc.	Die Teilchen werden von Theorien vorausgesagt, die die gesamten Naturkräfte vereinheitlichen. Diese bilden ,,Partner", analog zu unseren bekannten und vertrauten Teilchen. Sie haben auch ähnliche Namen, z.B. ist das Photino der supersymmetrische Partner des Photons und das Squark ist der Partner des Quarks. Diese Teilchen sind allerdings viel schwerer als die uns vertrauten. Die leichtesten unter ihnen könnten die dunkle Materie bilden. Sollte dies zutreffen, sind aber auch die leichtesten ,,Spartikel" mindestens vierzig mal schwerer als das Proton.
Braune Zwerge	Diese weisen keine Kernfusion auf und haben weniger als 8 % unserer Sonnenmasse und sind deshalb schwer, für uns, zu entdecken.
Sehr massive Objekte	z.B. Schwarze Löcher
Neutrinos	Aus der Urknalltheorie geht hervor, das je m³ Kosmos 10^7 Neutrinos vorhanden sein müssten. Auch wenn sie nur eine so gut wie nicht vorhandene Masse haben, könnten sie das Universum schließen. Man ist aber schon wieder von dieser Vermutung abgerückt.
WIMP` s (Weakly Interacting Massive Particles)	Dies sind schwach wechselwirkende, aber massereiche Teilchen. Dies sind hypothetische Teilchen die noch nicht nachgewiesen wurden.
Kalte dunkle Materie	Diese soll eine Temperatur von 0 K haben, und aus baryonischen Teilchen, das sind Neutronen und Protonen, bestehen. Deshalb emittiert sie auch keinerlei Strahlung. Theoretisch könnte der ganze Universum damit angefüllt sein, und in Gebieten, wo es durch Gravitation zu Kontraktionen kommt, könnten Galaxien entstanden sein.
Schattenmaterie	Existiert ein Universum parallel zu unserem? In einigen Versionen der Superstring-Theorie, existiert ein ganzes Schattenuniversum neben dem unseren. Zur Zeit als sich die Schwerkraft von den anderen Kräften entkoppelte und löste, trennte sich das Schattenuniversum von dem unseren. Die Schattenteilchen werden zu idealen Kandidaten für die dunkle Materie, da ihre Teilchen nur durch die Schwerkraft mit den unseren wechselwirken.
Axionen oder nichtbaryonische Teilchen	Ein Axion ist ein sehr sehr leichtes Teil, das aber vermutlich weit verbreitet ist. Wenn es existiert, das ist die Voraussetzung, dann kann es ein schon lange bestehendes Problem in der Elementarteilchenphysik lösen. Man schätzt seine Masse auf weniger als ein Millionstel von der Masse eines Elektrons (nebenbei ein Elektron hat eine Masse von 9 * 10 ^ -31 kg; 30 Nullen und eine 9 dahinter). Diese Teilchen sollen, wie die Hintergrundstrahlung, das Universum durchdringen. Die dunkle Materie würde dann aus Anhäufungen von Axionen oberhalb des allgemeinen Hintergrundniveaus bestehen.

Wissenschaftler gehen davon aus, das sich solche massereichen Teilchen irgendwann durch sogenannte Gravitationslinien verraten sollten. Im Januar 2001 gab es einen ersten Hinweis auf die Existenz von WIMP` s, durch den Gravitationslinseneffekt des Hubble- Weltraumteleskops. Das Teleskop hat beim beobachten der Großen Magellan′schen Wolke einen Einzelstern entdeckt, dessen Helligkeit kurzzeitig zunahm. Grund dafür ist, wenn zufällig ein massives Objekt direkt durch die Sichtlinie des Beobachters und des Sterns hindurchwandert, kommt es zum sogenannten Microlensing, das heißt, die Helligkeit des Sterns erhöht sich scheinbar.

Aber ich bin mir da sehr sicher, das wir uns noch relativ lange mit diesem Rätsel zu kämpfen haben, bis sich das Teilchen irgendwann mal verrät, oder wir es durch Zufall und neue Technologien entdecken.

3. Die Entstehung von Galaxien

Zu suchen ist der Ursprung aller Galaxien im Universum sicherlich beim Urknall (ich werde später noch mal auf ihn zurückkommen, und ihn ausführlich erklären). Nach der Zeit der Inflation, der Teilchenbildung, und nachdem sich die Materie von der Strahlung entkoppelt hat, müssen aus winzigsten Unterschieden des gravitativen Feldes, aus kleinsten Dichtefluktuationen, Strukturen entstanden sein. Die Konsequenz aus diesen Schwankungen war dann, das sich da heraus ständig Galaxien und Strukturen bis zu einer Größe von 100 Mpc, den sogenannten Superclustern entwickelten.

Am Anfang waren diese Fluktuationen nur sehr schwach, allerdings durch Gravitationsinstabilitäten, die im Laufe der Zeit entstanden, wurden diese Schwankungen immer weiter ausgeprägt. In solchen Zonen, hat sich die Expansion verlangsamt, und durch einen Überschuß an Gravitation, konnte Materie aus anliegenden Gebieten angezogen werden. Da die Verdichtung mit der Zeit immer stärker wurde, kollabierte die Materiewolke zu Galaxien, oder wenn genug Masse zur Verfügung stand, zu Galaxiehaufen.

Zu Beginn, wurde das Wachstum der Schwankungen durch die Strahlung noch stark beeinflußt. Zu der Zeit war die Energiedichte sehr viel höher als die Massedichte (auf jedes Atom kamen damals 3 Milliarden Photonen). Deshalb wurde die Ausbildung von deutlichen Strukturen in den ersten 10 000 Jahren stark unterdrückt. Dies begann sich erst zu ändern, als die Massedichte, durch zunehmenden Materieanteil immer größer wurde. Nun kann man zwei Möglichkeiten der Entwicklung verfolgen:

Erstens:

Die Bildung großer, massereicher Strukturen (wie z.B. Galaxiehaufen), die dann aber später zerfallen.

Oder

Zweitens:

Die Bildung von Zwerggalaxien, die durch Einflüsse der Gravitation immer massereicher werden, und sich schließlich zu massereichen Strukturen zusammenballen.

Vorhin erwähnte ich den Urknall. Ich will ihn mal kurz erläutern, seinen Ablauf zeigen.

Man stelle sich einfach einen Punkt vor, indem die Masse eine unendlich hohe Dichte aufweist. Und von dort an, hat sich das Universum ausgedehnt, bis zum heutigen Zeitpunkt an, und noch weit darüber hinaus, so schätzen Kosmologen. Man schätzt das dieser Punkt etwa zehn bis zwanzig Milliarden Jahre zurückliegt, aber man sollte sich nicht an diesen Zahlen festhalten.
Viele Menschen glauben, das der Urknall etwas war, das mit einer Explosion einer Handgranate zu vergleichen ist, und die Splitter die Galaxien darstellen. Kompletter Schwachsinn!!!
Aber dieses Ereignis, das den Anbeginn von allem darstellt, wurde Urknall getauft.

Zeitplan:

10 ^ -43 Sekunden (Planck - Zeit)

In diesem Augenblick trennt sich die Gravitation von der stark- elektroschwachen Kraft. Nun ist das Universum schon viel komplexer geworden, denn die Wechselwirkung der Teilchen wird nun schon von zwei verschiedenen Grundkräften bestimmt. Die Kollisionen sind so energiereich, und die Temperatur so hoch, wie es im heutigen Universum nicht mehr vorkommt.

10 ^ -35 Sekunden

Dadurch, das sich die elektroschwache und -starke Kraft getrennt haben, entstehen nun drei fundamentale Wechselwirkungen in Universum. Die Quarks und Leptonen nehmen eine neue Form an, die etwa der entspricht die wir zu unserem jetzigen Zeitpunkt haben (soll heißen sie haben sich seit damals nicht verändert). Genauso können bestimmte Objekte gebildet worden sein, z.B. die Kosmischen Strings, die eine sehr stabile Struktur haben, und deshalb auch noch heute in ihrer Form existieren könnten.

10 ^ -10 Sekunden

Bei diesem Zeitpunkt gibt es ein letztes Einfrieren, welches mit der Entkopplung der Kräfte verbunden ist. Hier trennt sich die elektromagnetische Kraft von der elektroschwachen, und nun sind alle vier fundamentalen Kräfte im Universum komplett.

10 Mikrosekunden

Die Quarks vereinigen sich hier zu Elementarteilchen.

Drei Minuten

Hier verbinden ich die Neutronen und die Protonen zu den Atomkernen. Allerdings entstehen in diesem Anfangsstadium des Universums nur leichte Atomkerne, die nur bis zu dem Stoff Helium oder Lithium reichen. Alle anderen schweren Elemente bilden sich später in den Sternen.

100 000 bis 1 000 000 Jahre

Die Atomkerne verbinden sich mit den Elektronen, und damit erreicht das Universum annähernd die Form die es heute habt. Seitdem ist die Hubble Expansion ohne weitere Veränderungen fortgeschritten.

Das Top- down- Modell

Wie vorhin schon erwähnt, konnten sich die Fluktuationen in den 10 000 Jahren nicht verstärken bzw. anwachsen. Sie bestanden aus einem Gemisch komprimierter Strahlung und Materie. Allerdings kann die Materie die Strahlung nicht einschließen, sie versucht immer sich zu entkoppeln, und zieht dabei die Materie mit. Dabei wird das System fast komplett von heißen Neutrinos beherrscht, die stets versuchen sich abzutrennen. Dadurch wurden die Fluktuationen geglättet. Zur Homogenisierung der großräumigen Fluktuationen reicht die Zeit der Entkopplung allerdings nicht aus, und erst nach 300 000 Jahren, in der Entkoppunlgsära, sind nur noch Fluktuationen von 10 ^ 15 Sonnenmassen vorhanden, und diese nennen wir heute Galaxiehaufen. Und eben diese Strukturen sammeln immer weiter Materie an, bis sie dann irgendwann kollabieren und zu Galaxien zerfallen. Und diese Entwicklung von großen zu kleinen Strukturen ist das Top- down- Modell, von oben nach unten.

Das Bottom- up- Modell

Ein Umstand scheint gegen das Top- Down- Modell zu sprechen, nämlich dieser, das es scheint, dass sich die Galaxiehaufen auch heute noch weiter entwickeln und wachsen. Also haben sich wohl anscheinend erst kleine Galaxien gebildet, die dann durch Materiezuwachs immer größere Strukturen annahmen. Also eine Entwicklung von unten nach oben.

Wie schon im Top- Down- Modell beschrieben, bildeten sich die Fluktuationen in den ersten 10000 Jahren aus, als der Kosmos bereits schon von Materie beherrscht war. Allerdings bleibt die Strahlung noch die ersten 30000 Jahre an die Materie gekoppelt. Bis zu diesem Zeitpunkt hat sich ein bestimmter Anteil der Dunklen Materie gebildet, welcher jedoch keine Wechselwirkung mit der Strahlung hatte, bis auf die gravitative. Und deshalb, werden die Fluktuationen bei der Entkopplung nicht geglättet. Und auch der thermische Druck, der auf die Dunkle Materie drückt, bleibt wirkungslos. Also steht der Gravitation dieser Strukturen nichts im Wege. Und darum können sich Fluktuationen aus viel kleineren Dichteschwankungen heraus entwickeln.

Also bilden sich kleine Fluktuationen als erste und haben somit mehr Zeit sich zu entwickeln, und im Laufe der Zeit wachsen diese immer weiter an.

Zuerst bilden sich die Zwerggalaxien. Galaxien wie die Milchstraße bildeten sich erst, als das Universum bereits 1 Milliarde Jahre alt war. Die entstandenen Strukturen bestehen zunächst aus Halo` s Dunkler Materie. Die Teilchen strahlen nun ihre Energie ab, sie erkalten und ballen sich daraufhin zusammen. Nun ist die Gravitation stärker als der thermische Druck und die Materie kann zu einer Galaxie kondensieren.

4. Einteilung der Galaxien

1784 katalogisierte zu allererst Charles Messier eine Galaxie. Dabei wußte er allerdings noch nichts über ihre Natur. Eigentlich war er auf der Suche nach dem Kometen 103, wo er nebenbei nebelartige Flecke entdeckte. Bis er dann irgendwann alles was er entdeckte zusammen gefasst hatte, und dies dann im Messier - Katalog niederschrieb. Zum Beispiel trägt die Andromeda Galaxie den Namen M 31.

Spätere größere Kataloge sind dann der New General Cataloque (NGC) von 1888 oder der modernste, der Third Reference Cataloque of Bright Galaxies.

1936 schlug Edwin Hubble eine Einteilung der Galaxien nach ihrem Erscheinungsbild vor.

Ich möchte an dieser Stelle meiner Hausarbeit diese Einteilung in Form einer Tabelle die Klassen einfügen.

Typ	Bezeichnung	Unterklassen	Beschreibung
E	Elliptisch	E0	Rund
		E1	Leicht abgeplattet
		|
		E4
		E7	Starkt geplattet
S	Spiralgalaxie	Sa	Großer Kern
		Sb	Mittlerer Kern
		Sc	Sehr schwacher Kern
SB	Balkenspirale	Sba	Ausgeprägter, balkenartiger Kern
		SBb	Schwacher Kern, stärkere Arme
		SBc	S- förmige Arme, kein Kern
SO	Linsenförmig		Form wie S, keine Spirale
SBO	Linsenförmig		Form wie SB, keine Spirale
Ir	Irregulär		Unregelmäßige Systeme

Zu beachten ist, das diese Tabelle nicht den Weg der Entwicklung von Galaxien wiedergibt, sonder lediglich einen Überblick über die Einteilung der Galaxien nach Edwin Hubble geben soll.

Kommen wir nun zur Beschreibung der einzelnen Galaxietypen.
Später im Anhang werde ich noch einige Bilder von den entsprechenden Galaxien zeigen und beschreiben.

Elliptische Galaxien

Elliptische Galaxien sind Sphäroide, die weder eine Scheibe noch Arme aufweisen, das heißt sie sind rund. Man findet auch so gut wie keine Interstellare Materie in Form von Staub oder Gas in ihnen.

Der Typ E0 ist deutlich rund, aber bei den Klassen E1 - E6 sich das Ganze dann doch immer mehr abplattet und sie dann deutlich elliptisch werden. In elliptischen Galaxien können keine neuen Sterne entstehen, aber sie erscheinen uns doch deutlich roter als viel andere Systeme. Diese Galaxien bestehen meist nur aus sehr alten Sternen, wobei diese Sterne nicht mehr Masse haben als unsere Sonne, also genau eine Sonnenmasse, oder sogar noch weniger. Diese Galaxien enthalten ein relativ dünnes Gas, und sind auch von einem Halo umgeben. Diese Gas kann man aber nur mit der Röntgenstrahlung nachweisen, da es eine Temperatur von mehr als 10 Millionen Kelvin hat, und eine solch hohe Temperatur lässt keine neue Sternentstehung zu, durch ihre extrem hohe kinetische Energie.

Elliptische Galaxien sind die größten Galaxien. Allerdings sind die meisten von ihnen nur Zwerggalaxien, mit nur 10 ^ 7 bis 10 ^ 8 Sonnenleuchtkräften, aber auch diese sind eben elliptisch.

Spiralgalaxien

Ich glaube hier dürfte jeder eine Galaxie kennen. Wenn schon nicht die Andromeda - Galaxie, dann doch wenigstens die unsrige, die gute alte Milchstraße.

Der Kern solcher Galaxien ist ähnlich dem Kern, den ich schon bei den elliptischen Galaxien behandelt habe, nämlich aus rotleuchtenden, alten Sternen. Man erkennt aber auch eine andere Population von Sternen, nämlich die jungen, heißen und bläulich strahlenden Sterne.

Nebenbei besteht er aus vielen Gas - und Staubwolken, wo sich neue Sterne bilden können. Umgeben sind diese Galaxien von ausgeprägten, massereichen Halos, welche wesentlich zur Gesamtmasse einer Galaxie beitragen, man siehe auch Dunkle Materie.

Der Typ Sa zeigt einen ausgeprägten Bulge und eng umwundene Arme.

Beim Typ Sb zeigen sich weit geöffnete Arme, jedoch nur ein kleinen Bauch.

Sc hat die Arme weit geöffnet, aber der Bauch ist nur schwach ausgeprägt.

Ansteigend von Sa - Sc findet man immer mehr Interstellare Materie. Damit verbunden auch immer mehr junge Sterne. Spiralgalaxien sind meist die hellen Galaxien. Die Andromeda - Galaxie und die Milchstraße zum Beispiel haben eine zehnmilliardenfache Sonnenleuchtkraft.

Balkengalaxien

Bei dieser Art von Galaxien, zeigt sich der Kern als fast gerader Balken, aus dem zwei gegenüberliegende Arme herausragen. Manchmal erscheint es sogar so, dass sie nur aus einem langgezogenen Kern bestehe. Unterschieden werden sie ähnlich der Spiralgalaxien von a bis c, wobei noch ein B hinzugefügt wird. Also von Sba nach SBc nimmt die Enge der Arme und die Größe des Bauches ab. Kennzeichen für Balken- und Spiralgalaxien ist ihre Rotation, denn Elliptische und irreguläre Galaxien rotieren nicht.

Linsengalaxien

Diese Form weist starke Gemeinsamkeiten mit den Spiralgalaxien auf, wobei hier die Spiralarme fehlen. In dieser Art von Galaxien haben wir, gleich den elliptischen Systemen, eine Sternpopulation, die überwiegend aus alten, rötlich leuchtenden Sternen besteht. Allerdings haben wir hier keine Gebiete in denen neue Sterne entstehen könnten, da wir in den Linsengalaxien, keine Dunkelwolken oder leuchtende Gasnebel vorfinden. Vermutungen zufolge, sollen diese Galaxien ihre Interstellare Materie schon komplett verbraucht haben, oder sie sollen sie beim Zusammenstoß mit anderen Galaxien verloren haben.

Irreguläre Galaxien

Dieser Typ besitzt keine Symmetrie, daher auch der Name. Meistens ist ein ausgeprägter Kern und auch irgendwelche Arme nicht zu erkennen. Dieser Galaxietyp setzt sich vor allem aus einzelnen Verdichtungen zusammen. Man zählt zu ihnen eigentlich alle System die nicht elliptisch oder spiralförmig sind. In solchen Systemen findet man vorläufig blaue, junge Sterne, dementsprechend auch einen hohen Anteil an Interstellarer Materie. Einige uns sehr bekannte irreguläre Galaxie sind Begleiter unserer Galaxie, nämlich die kleine und große Magellan′sche Wolke.

Zwerggalaxien

Galaxien, die nur in einer Miniausgabe existieren, werden allgemein als Zwerggalaxien benannt. Diese relativ kleinen Galaxien, beinhalten um Potenzen weniger Sterne als die größeren Galaxien; weiterhin bilden die Sterne nur lockere Gruppierungen ohne irgendeine symmetrische Struktur. Diese Art ist nur sehr schwer zu entdecken, da sie nur eine sehr schwache Leuchtkraft aufweisen. Und trotzdem sind sie der am meisten vertretene Galaxietyp im All. Bei der Zwerggalaxien gibt es noch einen Untertyp, die pekuliaren Galaxien. Dies sind ringförmige Galaxien, die einen erdnußförmigen Kern, Mehrfachkerne, helle sternartige Kerne oder Galaxien mit Gezeitenschweifen aufweisen.

5. Das Schicksal der Galaxien

Wenn wir abends in den Himmel schauen, vorausgesetzt es ist eine sternklare Nacht, was sehen wir da? Schon mit bloßem Auge erkennen wir eine riesige Anzahl von Sternen, den Mond, manchmal auch andere Himmelskörper wie z.B. Planeten. Das erstaunliche daran ist nur, das die Sterne die wir sehen nur eine winzigen Teil ausmachen, von dem was im Universum an Sternen vorhanden ist.
Sterne sie bilden sich neu und sterben. Viele Lichtpunkte die wir am Himmel sehen sind oder waren Sterne, Sterne die schon längst tot sind, wo aber das einmal ausgesendete Licht erst jetzt auf unserer Erde angekommen ist. Nur was passiert wenn einmal alle Sterne tot sind? Und auch die ganze interstellare Materie nicht mehr vorhanden ist? Ohne Interstellare Materie kann es keine neuen Sterne geben, und wenn alle neugebildeten Sterne irgendwann auch sterben, wie sieht es dann aus in unserem Universum? Es wird dunkel werden, wenn alle Lichter erloschen sind, alles Licht in Universum ist dann verschwunden, und es bricht eine rabenschwarze Nacht über das gesamte Universum herein, eine Nacht die wohl nie wieder vergehen wird. Dies würde ungefähr dann eintreten, wenn das Universum eine
Quadrillion (eine 1 mit 24 Nullen) Jahre alt ist. Würde als, rein hypothetisch, ein Beobachter dann auf einen Planeten stehen und in den Himmel schauen, würde er einen dunklen Himmel vorfinden. Das Licht der Sterne wäre so schwach, das wir es nicht mehr erkennen könnten.

6. Literaturverzeichnis

Bücher:

James Trefil: Fünf Gründe warum es die Welt nicht geben kann -

Die Astrophysik der dunklen Materie

Verlag: rororo

John Gribbin: Schrödingers Kätzchen und die Suche nach der Wirklichkeit

Verlag: Fischer

Internetseiten:

http://homepages.compuserve.de/kasperw4/