Wie sind Galaxien wie unsere entstanden?

In einer klaren Nacht, wenn die Bedingungen genau richtig sind und nicht viel Licht die Sicht verdeckt, ist der Sternenhimmel ein atemberaubender Anblick. Wenn Sie in einer ländlichen Gegend leben oder nur eine Pause von der Stadt machen -Wenn Sie leben, können Sie einen Himmel sehen, der voller Sterne ist.

Vielleicht können Sie sogar ein Lichtband über den Himmel laufen sehen, das in der Natur dunstig oder "milchig" aussieht. Ob Sie es glauben oder nicht, so hat unsere Galaxie ihren Namen erhalten. Vor Tausenden von Jahren,Astronomen, die zum Nachthimmel aufblickten, bemerkten dasselbe Band und sahen die Ähnlichkeit mit dem Getränk.

Mit der Zeit wuchs unser Verständnis der Milchstraße. Wir haben nicht nur erkannt, dass die Milchstraße tatsächlich eine riesige Ansammlung von Sternen ist, die durch die Schwerkraft zusammengehalten werden, sondern wir haben auch erfahren, dass es sich nur um eine von Milliarden oder sogar Billionen in der Milchstraße handeltUniversum.

Schließlich haben Astronomen und Kosmologen verstanden, dass das Universum sowohl zeitlich als auch räumlich atemberaubend groß ist. Und obwohl wir immer noch nicht wissen, wie weit sich das Universum erstreckt oder ob es unendlich ist, haben wir einziemlich gute Vorstellung davon, wie lange es existiert ungefähr 13,8 Milliarden Jahre.

Aus diesem Grund haben Astronomen viel Zeit und Energie darauf verwendet, so weit wie möglich durch Raum und Zeit zu schauen, um die frühesten Galaxien zu sehen. Auf diese Weise hoffen sie zu erfahren, wie Galaxien unsere mögenim Laufe von Milliarden von Jahren selbst gebildet und weiterentwickelt.

Was sind Galaxien?

Einfach ausgedrückt, Galaxien bestehen aus massiven Gruppierungen von schwerkraftgebundenen Sternen, Gas und Staub. All dies ist jedoch nur der Teil von Galaxien, den wir erkennen können, weil sie Licht entweder emittieren, absorbieren oder ausstrahlen.

Darüber hinaus haben Astronomen seit Jahrzehnten die Theorie aufgestellt, dass Galaxien auch viel dunkle Materie enthalten, die so genannt wird, weil sie für die konventionelle Detektion unsichtbar ist.

Die Untersuchung von Galaxien hat Astronomen veranlasst, sie anhand ihrer Gesamtstruktur zu gruppieren. Während einige Galaxien einer Grundform mit einer zentralen "Ausbuchtung" und "Armen" entsprechen, die sich in Wirbeln vom Zentrum aus erstrecken, haben Astronomen verschiedene Arten festgestelltvon Variationen.

Aus diesem Grund haben Astronomen Galaxien anhand von drei Hauptkategorien klassifiziert. Dieses Klassifizierungsschema ist bekannt als Hubble-Sequenz , benannt nach dem berühmten amerikanischen Astronomen Edwin Hubble.

Hubbles Schema unterteilt reguläre Galaxien in drei große Klassen - elliptisch , linsenförmig und Spiralgalaxien - basierend auf ihrem visuellen Erscheinungsbild . Eine vierte Klasse enthält Galaxien mit einem unregelmäßig Aussehen.

Erstens gibt es Spiralgalaxien wie die Milchstraße, die reich an Gas und Staub ist und immer noch Sterne in ihren Armen hat. Dann gibt es elliptische Galaxien , welche haben relativ gleichmäßige, merkwürdige Lichtverteilungen. Sie sind relativ frei von Gas und Staub, haben eine geringe Sternentstehungsrate und werden so genannt, weil sie eine kreisförmigere Struktur haben.

Es gibt auch linsenförmige Galaxien. Diese bestehen aus einer hellen, zentralen Ausbuchtung umgeben von einem erweiterten Festplatte -ähnliche Struktur. Anders als Spiralgalaxien Die Scheiben von Linsengalaxien haben keine sichtbare Spiralstruktur und bilden in keiner großen Anzahl aktiv Sterne. Dazu gehören Messier 84 und die Wagenradgalaxie.

Hubbles Klassifizierungssystem umfasst auch unregelmäßige Galaxien. Dies sind Galaxien, die nicht in die Hubble-Sequenz passen, weil sie keine reguläre Struktur haben. Beispiele hierfür sind die Magellanschen Wolken und M82.

Galaxien können auch anhand ihrer Größe klassifiziert werden, die von einigen hundert Millionen Sternen im Fall von Zwerggalaxien bis zu hundert Billionen Sternen Riesengalaxien reicht, die jeweils das Zentrum ihrer Galaxie umkreisen.

"Laute" und "Leise" Galaxien

Außerhalb dieses Schemas unterscheiden Astronomen auch zwischen Galaxien mit einem sogenannten Aktiver galaktischer Kern AGN und diejenigen, die dies nicht tun. Eine AGN ist ein kompakter Bereich in der Mitte von a Galaxie das hat einen viel höheren als normal Leuchtkraft . Ein Großteil der Energieabgabe von AGNs ist nicht Stern und viele AGN sind starke Emittenten von Röntgenstrahlen , Radio und ultraviolett Strahlung sowie optische Strahlung.

Eine Theorie besagt, dass die nicht-stellare Strahlung eines AGN das Ergebnis der Akkretion von Materie durch a supermassives Schwarzes Loch SMBH im Zentrum seiner Wirtsgalaxie. Dies führt dazu, dass der umgebende Staub, das Gas und sogar die Sterne in eine Akkretionsscheibe am äußeren Rand des Schwarzen Lochs fallen auch bekannt als Ereignishorizont. Mit der Zeit wird diese Materie langsam auf das Gesicht des Schwarzen Lochs geleitet akkretiert.

Die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs bewirkt, dass das Material bis zu dem Punkt beschleunigt wird, an dem es eine enorme Menge elektromagnetischer Energie und Strahlung abgibt. Dies tritt in Radio-, Mikrowellen-, Infrarot-, optischen, ultravioletten Röntgenstrahlen aufund Gammastrahlenwellenlängen.

SMBHs sind auch für ihre rotierenden Magnetfelder bekannt, die mit ihren Akkretionsscheiben interagieren, um leistungsstarke Magnetstrahlen zu erzeugen. Das Material in diesen Düsen kann einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit auch bekannt als relativistische Geschwindigkeiten erreichen, was sie dazu befähigterreichen Hunderttausende von Lichtjahren in der Ferne.

AGNs können basierend auf ihren Jets weiter in eine von zwei Kategorien unterteilt werden - "radio-leise" und "radio-laute" Kerne. Radio-laute AGNs sind solche, deren Radioemissionen von ihrer Akkretionsscheibe und ihren Jets während des Funkens erzeugt werden.leise AGNs zeigen vernachlässigbare strahlbedingte Emissionen.

Die Milchstraße

Wie bereits erwähnt, ist die Milchstraße eine Spiralgalaxie mit einem relativ inaktiven galaktischen Kern. Nach neuesten Schätzungen soll die Milchstraße einen Durchmesser zwischen 150.000 und 200.000 Lichtjahren und eine Dicke von 1000 Lichtjahren haben.

Es wird auch geschätzt, dass zwischen 100 und 400 Milliarden Sterne und mehr als 100 Milliarden Planeten bevölkert sind. In seinem Zentrum befindet sich die zentrale Ausbuchtung mit einem Durchmesser von etwa 10.000 Lichtjahren.

Dies stellt die Kernregion unserer Milchstraße dar und ist auch "gesperrt" - was bedeutet, dass sie eine zentrale, stabförmige Struktur aus Sternen enthält. Die Größe dieses Balkens ist Gegenstand von Debatten mit Schätzungen zwischen 3.000 und16.000 Lichtjahre Durchmesser.

Das Zentrum der Milchstraße enthält eine intensive Radioquelle, bekannt als Schütze A * ausgesprochen Schütze A-Stern. Es wird angenommen, dass dies ein SMBH ist, das mehr als das 4-Millionen-fache der Masse unserer Sonne beträgt.

Von der Mitte aus erstrecken sich mehrere Spiralarme, die Milliarden von Sternen sowie interstellares Gas und Staub enthalten. Die genaue Anzahl und Konfiguration dieser Arme ist Gegenstand einiger Debatten und ändert sich je nach neuen Informationen.

Jüngste Beobachtungen haben ergeben, dass es möglicherweise vier Hauptspiralarme gibt - den Scutum-Centaurus-Arm, den Carina-Sagittarius-Arm, den Norma und äußerer Arm und die Far-3 Kiloparsec und Perseus-Arm. Es wird jedoch manchmal gesagt, dass es nur zwei Hauptarme gibt, den Scotum-Centaurus und den Perseus, der Rest ist geringfügig.

Unsere Sonne liegt in der Nähe eines kleinen Teilarms, der Orion-Arm oder Orion-Spur oder Orion-Cygnus-Arm genannt wird.

Die Existenz dieser Arme wurde durch Beobachtung von Teilen der Milchstraße und anderer Galaxien bestimmt - nicht das Ergebnis einer direkten Beobachtung.

Dies ist eine interessante Tatsache bei der Beobachtung der Galaxie: Astronomen können tatsächlich die Größe, Struktur und Form von Galaxien, die Millionen oder Milliarden Lichtjahre entfernt sind, mit größerem Vertrauen bestimmen als unsere eigenen.

Wenn der Kosmos mit einer Stadt verglichen werden könnte und das Sonnensystem unser eigener Hinterhof, würde man den Eindruck bekommen, dass unsere eigene Nachbarschaft uns vertrauter wäre als die auf der anderen Seite der Stadt. Es gibt jedoch einegut aus diesem Grund und es kommt alles auf unseren Standpunkt an.

Einfach ausgedrückt, das Sonnensystem ist in die Scheibe der Milchstraße eingebettet, was es ziemlich schwierig macht, ein Gefühl für seine wahren Dimensionen zu bekommen. Es ist auch schwierig zu sehen, was sich aufgrund des Lichts auf der anderen Seite der Galaxie befindetStörung durch die zentrale Ausbuchtung.

Kürzlich wurde auch die Theorie aufgestellt, dass die Milchstraße tatsächlich verzogen ist. Von der Seite betrachtet würden die Spiralarme einer in eine S-Form gebogenen Schallplatte ähneln.

Bisher konnten keine Robotermissionen die Milchstraße von außen betrachten. Daher ist jedes Bild, das Sie von einer Galaxie als Ganzes sehen, entweder nicht die Milchstraße oder der Eindruck eines Künstlers.

Wo ist das Sonnensystem?

Unsere Sonne befindet sich im Orion-Arm der Milchstraße, einer Raumregion zwischen zwei Hauptarmen unserer Galaxie. Sie befindet sich etwa 27.000 Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt und umkreist sie mit den anderender Sterne in der Scheibe.

Die Sonne braucht ungefähr 240 Millionen Jahre, um eine einzelne Umlaufbahn in einem sogenannten galaktischen Jahr oder zu vollenden. kosmisches Jahr .Nach dieser Einschätzung hat die Sonne seit ihrer Entstehung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren etwas mehr als 19 Umlaufbahnen zurückgelegt.

Aufgrund seiner Spektren wird unsere Sonne als gelber Zwerg vom Typ G klassifiziert, was sie in Bezug auf die Sternpopulation unserer Galaxie etwas ungewöhnlich macht. Insgesamt sind ungefähr zehn Prozent der Sterne in der Milchstraßengalaxie gelbe Zwerge.das entspricht ungefähr 20 bis 40 Milliarden sonnenähnlichen Sternen.

Das Studium der Galaxien

Das Studium der Galaxien reicht mehrere Jahrtausende zurück, obwohl die Astronomen bis zur Neuzeit nicht genau wussten, was sie beobachteten. Grundsätzlich wurde die wahre Natur unserer Galaxie erst im 17. Jahrhundert verstanden und nichtbis zum 19. Jahrhundert verstanden Wissenschaftler, dass unsere Galaxie eine von vielen ist.

Der Name "Milchstraße", wie er auf das zentrale Lichtband am Nachthimmel angewendet wird, ist eigentlich sehr altbewährt. Im alten Rom nannten ihn Astronomen " Via Lactea " wörtlich "Milchstraße" in lateinischer Sprache, eine Übersetzung des griechischen Wortes für "Milchkreis" " galaxías kýklos " , γαλαξίας κύκλος .

Im Laufe der Zeit begannen Astronomen zu spekulieren, dass die Milchstraße tatsächlich Sterne waren, die in einem engen Band konzentriert waren. Zum Beispiel im 13. Jahrhundert Der persische Astronom Nasir al-Din al-Tusi hat in seinem Buch die folgende Beschreibung geliefert: Tadhkira :

„Die Milchstraße, dh die Galaxie, besteht aus einer sehr großen Anzahl kleiner, dicht gebündelter Sterne, die aufgrund ihrer Konzentration und Kleinheit trübe Flecken zu sein scheinen. Aus diesem Grund wurde sie mit denen verglichenMilch in Farbe. ”

1610 veröffentlichte Galileo Galilee sein wegweisendes Werk Sidereus Nuncius "Der Sternenbote" in lateinischer Sprache, der seine Beschreibungen des Mondes, der Sonne und des Jupiter enthielt. Er zeichnete auch seine Beobachtungen von "nebulösen" Sternen auf, die im ptolemäischen Katalog enthalten waren.

Galileos Beobachtungen zeigten, dass diese Objekte tatsächlich unzählige Sterne waren, die so weit entfernt waren, dass sie sich zu gruppieren schienen und mit bloßem Auge nicht beobachtet werden konnten. Oder wie Galileo sie beschrieb, handelte es sich um "Zusammenschlüsse unzähliger Sterne, die zu Clustern zusammengefasst waren"..

Ähnlich wie Galileos Befürwortung des heliozentrischen Modells des Universums wo die Sonne von den Planeten umkreist wird, zeigte diese Offenbarung weiter, dass die Sterne tatsächlich viel weiter von der Erde entfernt sind als bisher angenommen.

1775 ging der deutsche Philosoph Immanuel Kant noch einen Schritt weiter und schlug vor, die Milchstraße sei eine große Ansammlung von Sternen, die durch die gegenseitige Schwerkraft zusammengehalten werden. Er vermutete auch, dass die Galaxie wie das Sonnensystem angelegt war und die Sterne rotiertenum ein gemeinsames Zentrum und in einer Scheibe abgeflacht.

1785 versuchte der Astronom William Herschel, die Struktur der Milchstraße zu kartieren, um ihre wahre Form zu enthüllen. Leider scheiterten seine Bemühungen daran, wie große Teile durch Gas und Staub verdeckt werden.

Eine weitere interessante Entwicklung in dieser Zeit war die Veröffentlichung des Messier-Katalogs 1771 bis 1781. Diese Arbeit wurde vom niederländischen Astronomen Charles Messier erstellt, der begann, Aufzeichnungen über "nebulöse" Objekte zu führen, die er ursprünglich für Kometen hielt.

Zu dieser Zeit waren Teleskope noch nicht hoch genug, um diese Objekte aufzulösen - die meisten davon waren Sternhaufen oder entfernte Galaxien. Bis zum 19. Jahrhundert waren Astronomen wie William Henry Smyth ebenfalls Admiral bei der Royal Navy in der Lageeinzelne Sterne in ihnen aufzulösen.

In den 1920er Jahren lieferte der amerikanische Astronom Edwin Hubble schließlich Beweise dafür, dass am Himmel beobachtete Spiralnebel tatsächlich andere Galaxien waren. Diese Entdeckung führte die Astronomen auch zu dem Schluss, wie die wahre Form der Milchstraße aussieht dh eine vergitterte Spiralgalaxie.

Es war auch Hubble, der demonstrierte, dass sich die meisten Galaxien tatsächlich von unseren eigenen entfernen. Dies führte zu der Erkenntnis, dass sich das Universum in einem Expansionszustand befindet. Die Geschwindigkeit, mit der es sich ausdehnt, wird zu Ehren als Hubble-Konstante bezeichnetvon Hubbles Entdeckung.

Dieser Fund würde unsere Wahrnehmung des Universums dramatisch verändern und Theorien wie die hervorbringen. Urknall und Dunkle Energie . Mit Beginn des Weltraumzeitalters ist unser Wissen über das Universum und die Galaxien erheblich gewachsen.

Weltraumteleskope können beispielsweise entfernte Objekte frei von atmosphärischen Störungen beobachten. Bodengestützte Observatorien haben sich aufgrund von Verbesserungen bei Instrumenten, Methoden und Datenaustausch ebenfalls erheblich verbessert.

Die ersten Galaxien

Nach den am weitesten verbreiteten kosmologischen Modellen bildeten sich die ersten Sterne, als das Universum nur 100 Millionen Jahre alt war vor ca. 13,7 Milliarden Jahren. Etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Big Bag entstanden diese Sterne und andere baryonische Materiebegann mit Halos aus dunkler Materie zu kondensieren, um die ersten Galaxien zu bilden.

In den nächsten Milliarden Jahren wurden die dichteren Regionen des Universums durch die Gravitation voneinander angezogen. Dies wurde als Strukturepoche bezeichnet, als sich die großräumige Struktur des Universums zu bilden begann.

In dieser Zeit haben sich vermutlich Dinge wie Kugelhaufen, galaktische Ausbuchtungen, SMBHs und andere kosmische Strukturen gebildet. Sterne, Staub und Gas fielen ebenfalls in scheibenförmige Strukturen um die zentralen Ausbuchtungen, und es gab mehr Materialhinzugefügt aus intergalaktischen Wolken und Zwerggalaxien.

Die Bildung von SMBHs wird von vielen als Schlüsselrolle bei der Regulierung des Wachstums von Galaxien angesehen, indem die Menge der hinzugefügten Materie begrenzt wurde. Sie beeinflussten auch die Geschwindigkeit der Sternentstehung, da Galaxien vor ihrer Entstehung einen Ausbruch der Sternentstehung erlebtenAussehen.

Als die frühesten Sterne auszusterben begannen, wird vermutet, dass sie schwerere Elemente in das interstellare Medium freisetzten. Aus diesem Grund waren nachfolgende Generationen von Sternen zunehmend metallreich, was Astronomen ein wichtiges Werkzeug für die Erstellung von Altersschätzungen bietet.

Im Laufe der Zeit wurde angenommen, dass die Zunahme schwerer Elemente in Galaxien die Bildung von Planeten und Monden ermöglicht hat, während die übrig gebliebene Materie zu Asteroiden und Kometen wurde, die sich zu Gürteln um ihre Sterne bildeten.

Wie haben sie sich seitdem entwickelt?

Dank Vermessungen von Weltraumteleskopen wie Hubble und bodengestützte Observatorien wie die Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array ALMA, Astronomen konnten sehen, wie Galaxien vor Milliarden von Jahren aussahen.

Zusammen mit neueren Beobachtungen haben Astronomen eine gute Vorstellung davon erhalten, wie sich Galaxien im Laufe der Zeit verändert haben. Beispielsweise schienen die frühesten Galaxien eine elliptische Form und eine kleinere zu haben. Im Laufe der Zeit verursachten galaktische Fusionen das Wachstum von Galaxienund komplexer werden.

Allmählich wird angenommen, dass der Materialeinfall zu einer Beschleunigung der Rotation geführt hat. Im Fall der Milchstraßengalaxie sind viele Astronomen zu dem Schluss gekommen, dass Fusionen mit Zwerggalaxien weit verbreitet waren - und ein Prozess, der noch andauertlaufend.

In der Tat, die nächstgelegene Galaxie für uns ist die Zwerggalaxie Canis Major, die etwa 25.000 Lichtjahre von unserem Sonnensystem und 42.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt liegt. Bis vor kurzem waren sich die Astronomen ihrer Existenz nicht bewusst.weil es durch kosmischen Staub verdeckt wurde.

Im Jahr 2003 wurde es jedoch von einem internationalen Team von Astronomen als Teil des Zwei-Mikron-All-Sky-Vermessung 2MASS Infrarot Umfrage. Einige a Stronomen glauben, dass die Zwerggalaxie gerade von der auseinandergezogen wird Gravitationsfeld der massereicheren Milchstraße. Gezeitenstörung bewirkt, dass ein langes Filament von Sternen dahinter läuft, wenn es die Milchstraße umkreist und eine komplexe ringförmige Struktur bildet, die manchmal als die bezeichnet wird Monoceros Ring der sich dreimal um unsere Galaxie wickelt.

Fast 9 Milliarden Jahre nach dem Urknall wird angenommen, dass die Kraft der gegenseitigen Anziehungskraft überwog und sich der Kosmos infolgedessen sehr langsam ausdehnte. Infolgedessen waren galaktische Fusionen in den ersten Milliarden möglicherweise sehr häufigJahre nach dem Urknall.

Die Ausdehnung des Kosmos führte jedoch schließlich dazu, dass Galaxien weiter voneinander entfernt waren. Zu diesem Zeitpunkt wird angenommen, dass der Einfluss der Dunklen Energie zu spüren war.

Dies wird von vielen als Ursache für die Epoche der kosmischen Beschleunigung vor ca. 5 Milliarden Jahren angesehen, in der sich der Kosmos mit zunehmender Geschwindigkeit auszudehnen begann. Zu diesem Zeitpunkt wurden galaktische Fusionen viel seltener, aber der Prozess ist esimmer noch bekannt ... und wird uns passieren!

Die Zukunft unserer Galaxie und des Kosmos

Wie Hubble bemerkte, bewegt sich die überwiegende Mehrheit der benachbarten Galaxien von unseren eigenen weg. Es gibt jedoch zwei, die sich auf uns zubewegen: die benachbarten Andromeda aka. Messier 31 und Triangulum-Galaxie Messier 33.

Nach aktuellen Schätzungen bewegen sich die Milchstraße und die Andromeda-Galaxie mit einer Geschwindigkeit von etwa 130 km / s aufeinander zu. Bei dieser Geschwindigkeit werden sie in etwa 4,5 Milliarden Jahren miteinander kollidieren.

In diesem Fall könnten sie eine riesige elliptische oder linsenförmige Galaxie bilden Spitzname "Milkomeda" oder "" Milkdromeda ". Durch den Zusammenschluss verursachte Gezeitenstörungen können dazu führen, dass einige Sterne herausgeschmissen werden und SMBHs zusammengeführt werden.

Es ist nicht bekannt, wie sich dies auf das Sonnensystem auswirken wird. Es wird jedoch vermutet, dass unsere Sonne bis dahin ihren Wasserstoffbrennstoff erschöpft hat und wird. ein roter Riese - was dazu führt, dass es die Erde und möglicherweise das gesamte Sonnensystem ausdehnt und verschluckt.

Es wird angenommen, dass diese Arten von Fusionen seltener werden, wenn sich der Kosmos weiter ausdehnt und Galaxien immer weiter auseinander gedrückt werden. Schließlich werden die Galaxien des Universums dunkler und röter, wenn kurzlebige Sterne aussterben.

Dazu gehört alles von blauen Riesen und Überriesen O-Typ und B-Typ bis zu blau-weißen A-Typ und F-Typ, gelben und orangefarbenen Zwergsternen G-Typ und K-Typ.es bleiben nur rote Zwergsterne vom Typ M übrig, die die längste natürliche Lebensdauer haben bis zu 10 Billionen Jahre.

Irgendwann werden die Galaxien so weit voneinander entfernt sein, dass intelligente Lebensformen in der Milchstraße keine anderen Galaxien sehen können. Gleiches gilt für die Bewohner anderer Galaxien, die zum Nachthimmel aufblickenund sehe nur schwache rote Sterne.

Mit der Zeit werden die Galaxien selbst sterben, wenn die letzten Sterne verfallen und das gesamte Universum dunkel wird. Glücklicherweise wird dies für Billionen von Jahren nicht erwartet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Menschheit entweder ausgestorben sein oder habenhat sich weit über alles hinaus entwickelt, was als menschlich angesehen werden kann.

Weiterführende Literatur :

• Kosmos - Galaxienbildung
• Stardate - Galaxy Formation
• CSIRO - Die Bildung von Galaxien
• Universität von Oregon - Galaxienbildung
• Natur - Galaxienbildung: Cosmic Dawn
• Wikipedia - Galaxienbildung und -entwicklung
• NASA Visualization Explorer - Galaxienbildung
• Universität von Toronto / Dunlap Institute - Galaxy Formation