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Wirbel im All - Geheimnisse der Spiralgalaxien
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Keine Frage: Zu den schönsten Gebilden des Weltraums zählen die spiralförmigen Galaxien. Diese grandiosen Sternenwirbel haben unlängst wieder einmal für »Wirbel im All« gesorgt. Mit dem Riesenspiegel Gemini South, mit Hubble und Radioteleskopen in New Mexico haben Astronomen nun ganz unerwartet einen gigantischen Materiestrahl in einer Spiralgalaxie entdeckt. Die kosmischen Feuerräder bergen immer noch so manches Rätsel.

 

Die schönsten Galaxien

Es war ein kühler April-Abend, die Nacht sternenklar. Sehr seltene Bedingungen für King's County in Irland. Denn für gewöhnlich herrschen dort nur zwei Arten von Wetter, so sagt man. Entweder kommt bald Regen auf - oder aber es regnet bereits! Jene wolkenfreien Stunden waren also wirklich eine Besonderheit. Als es dunkel wurde, setzte sich auf dem alten Adelssitz Birr Castle ein bizarr anmutender Mechanismus in Gang. Zwischen zwei mächtigen, mit Efeu berankten Mauern surrten alle möglichen Räder, Seile und Gegengewichte los, um ein ausladendes Teleskoprohr auf den Himmel zu richten. Die schwerfällige Konstruktion ließ nur einen sehr eingeengten Blick zu, doch der 1,80-Meter-Spiegel lieferte fantastische Ergebnisse. Er war damals, im Jahr 1845, das größte Fernrohr der Welt. In jener besonderen Nacht machte sein Eigentümer Lord Rosse, ein wohlhabender Privatmann, seine vielleicht erstaunlichste Entdeckung.

Die Deichsel des Großen Wagens stand zu mitternächtlicher Stunde im Zenit, und der dritte Earl of Rosse nutzte die hervorragende Blickposition, um einen seit 1773 bekannten schwachen Nebelflecken anzupeilen, Messier Nummer 51. Langsam rückte das perlgrau schimmernde Gebilde ins Gesichtsfeld, und Rosse erkannte nun erstmals ein Spiralmuster, das sich auf dem schwarzen Hintergrund des Himmels abzeichnete. Der irische Lord hatte den ersten Spiralnebel identifiziert. Nur, was war das? Etwa Materiewirbel, aus denen neue Planetensysteme entstehen? Zunächst schien dies die naheliegendste Erklärung zu sein, doch in der ersten Hälfte des 20ten Jahrhunderts erkannten Astronomen, dass diese spiraligen Nebel außerhalb unseres Milchstraßensystems liegen und als völlig eigenständige Sternsysteme durchs All ziehen.

Die Riesen-Teleskope der großen kalifornischen Sternwarten lösten die berühmte Andromeda-Spiralgalaxie bis zum Zentrum in Einzelsterne auf. Damit war ihr eigener »Milchstraßen-Status« bewiesen. Plötzlich wusste man, dass unser Sternsystem nur eine von Myriaden ähnlicher Welteninseln ist. Das Universum nahm damit noch fantastischere Dimensionen an.

Spiralgalaxien sind groß und hell, daher machen sie sich auch am deutlichsten bemerkbar. So zählen rund Dreiviertel aller beobachteten Systeme zu den Spiralen. In Wirklichkeit sind sie aber nicht so häufig. Nur jede dritte zählt zu diesen »schönsten aller Galaxien«. Auch unsere eigene Milchstraße ist bekanntlich eine davon. Ihre Struktur wurde mühsam ermittelt und ist bis heute noch nicht exakt bekannt.

Unsere Heimat, ein kosmischer Zyklon

Wir schwimmen mitten in einem Meer aus Sternen und interstellarer Materie, sehen daher gleichsam den Wald vor lauter Bäumen nicht. Vor allem radioastronomische Beobachtungen haben dazu beigetragen, die Form der Galaxis zu ergründen. Dabei kristallisierte sich immer deutlicher heraus, dass wir in einer Spiralgalaxie zu Hause sind. Neutraler Wasserstoff H I kommt hauptsächlich entlang der Spiralarme vor. Er »sendet« mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern und liefert Karten unserer Heimatgalaxie. Allerdings muss in jeder Richtung auch die Entfernung der strahlenden Quellen gemessen werden, um den räumlichen Aufbau zu offenbaren. Das ist nicht leicht zu bewerkstelligen. Die einigen hundert Milliarden Sterne unserer Milchstraße drehen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um das Zentrum, sie folgen dabei nicht den Keplergesetzen, denn die Materie ist ungleichmäßig über weite Räume verteilt.


Deshalb weist die Galaxis, dieser riesige kosmische Zyklon, eine kompliziertere Rotationskurve auf. Ganz grob gesagt: Die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne und Materie steigt bis in einen Abstand von etwa 25.000 Lichtjahren vom Kern ziemlich kräftig an, wobei unsere Sonne mit rund 250 Kilometer pro Sekunde zu den schnellsten Sternen der Scheibe zählt. Weiter nach draußen sinkt das Tempo der Sterne dann wieder nichtlinear ab. Schon vor Jahrzehnten fand der berühmte niederländische Astronom Jan Hendrik Oort spezielle Bewegungsgesetze, die einer bestimmten Position in der galaktischen Scheibenebene auch eine bestimmte Eigenbewegung und Geschwindigkeit entlang der Sichtlinie zuordnen. Über die Dopplerverschiebung des im Spektrum aufgefächerten Sternenlichts kann also mittels dieser Oortschen Rotationsformeln die Entfernung berechnet werden. Bei den Beobachtungen der 21-Zentimeter-Linie des Wasserstoffs kamen dabei in einer Richtung gleich mehrere, unterschiedlich starke Verschiebungen heraus. Hier blicken wir demnach nicht nur auf einen einzigen Spiralarm unseres Systems.

Selbst heute plagen sich die Astronomen mit einigen Unsicherheiten herum, so dass immer noch nicht wirklich bekannt ist, wie unser Milchstraßensystem von außen aussieht. Immerhin aber scheint sie laut neueren Beobachtungen sogar eine vierarmige Spirale zu sein. Die meisten Spiralgalaxien zeigen zwei deutliche Arme, die an gegenüberliegenden Punkten des zentralen Wulstes ansetzen und sich von dort aus nach draußen winden.

Spiralarme geben Rätsel auf

Einer der ganz großen Astronomen, der Amerikaner Edwin P. Hubble, heute vor allem wegen des gleichnamigen Space-Telescope bekannt, tat es im Jahr 1929 den Biologen gleich und ordnete den galaktischen Zoo. Dabei entstand das berühmte »Stimmgabel«-Diagramm als Grundlage aller späteren Klassifikationen. Von den elliptischen Galaxien zweigen sich hier zwei Reihen von Spiralgalaxien ab. Oben sind es die »gewöhnlichen« Spiralen, angeordnet über die Kürzel Sa bis Sc oder Sd, wobei der Öffnungswinkel zunimmt, so dass sich die Arme in Sa-Systemen sehr eng winden, während sie bei den Sd-Systemen weit geöffnet sind. Gleichzeitig tritt in dieser Reihe der Kern immer stärker zurück. Der untere Ast der Stimmgabel ist von den Balkenspiralen besetzt. Bei ihnen lagern die Spiralarme nicht direkt am Kern an. Vielmehr geht von ihm erst einmal ein starrer »Balken« in beide Richtungen aus. Erst an seinen verdickten Enden beginnt dann das bekannte Spiralmuster. Die Rotationskurve unseres Milchstraßensystems steigt wie schon angedeutet im inneren Bereich an, was dazu führt, dass die Sterne sich in diesem Entfernungsinterval ebenfalls wie auf einer Schallplatte oder einem anderen starren Körper ums Zentrum bewegen. Neuere Beobachtungen zeigen darüber hinaus: Es gibt ganz vielleicht auch in unserem System einen »Balken«.

Bis heute ist ungeklärt, warum sich solche Strukturen ausbilden, wie die Spiralarme entstehen und wie sie sich dann ganz offensichtlich über sehr lange Zeiträume stabil halten können. Computersimulationen demonstrieren, dass sich kreuzende elliptische Bahnen zahlreicher Sterne nach einiger Zeit automatisch ein Spiralmuster ausbilden. Die differenzielle Rotation, wegen der die Sterne je nach Abstand mit unterschiedlichem Tempo ums Zentrum kreisen, müsste ein wie auch immer entstandenes Spiralmuster aber recht schnell wieder auflösen. Eine komplette Umdrehung der Sternenspirale spielt sich gegenüber dem Alter eines solchen Systems in einer sehr kurzen Zeitspanne ab. Sie beträgt nur etwa ein Prozent davon. Spätestens aber nach einer vollendeten Rotation würde das schöne Muster an seinen Rändern »ausfransen« und dann immer stärkere Auflösungserscheinungen zeigen, bis schließlich nichts mehr von ihm übrig bliebe. Dieses Problem erkannte als Erster der schwedische Galaxienforscher Bertil Lindblad in aller Deutlichkeit. In den 1960er Jahren entwickelten dann die beiden amerikanischen Astrophysiker Chia Chiao Lin und Frank Shu die Dichtewellen-Theorie, auch bekannt als Lin-Shu-Theorie. Sie interpretiert die Spiralarme als Wellenphänomen im Sternensee der Galaxis. Wo mehr Materie vorhanden und die Gravitation stärker ist, entstehen Dichtewellen und rotieren als Bögen um den Galaxienkern. Sie komprimieren auf ihrem weg Materie, verdichten sie zu Dunkelwolken, aus denen Sterne und leuchtende Nebel hervorgehen. Die Theorie sagt auch die Entstehung von Balken vorher, doch fragt sich dann im Umkehrschluss, warum es auch balkenlose, gewöhnliche Spiralen gibt.

Eine Entdeckung in der »falschen« Galaxie

Auch die Dichtewellentheorie kann nur teilweise erklären, was sich in der Natur abspielt. Weder ist bekannt, wie die geheimnisvollen Wellen nun eigentlich entstehen noch gibt es eine befriedigende Antwort auf die Frage, warum diese kosmische Brandung nicht gleichfalls nach wenigen Umläufen verebbt.
Noch schwerer taten sich alternative Erklärungsversuche für das dauerhafte Spiralmuster. Der armenische Astronom Victor Ambarzumjan präsentierte vor vielen Jahren die Theorie, dass gewaltige Explosionen im Zentrum einer Galaxie die Entstehung von Spiralarmen auslösen und beeinflussen. Beobachtungen von Vorgängen in den innersten Bereichen unserer Galaxis und anderer Systeme deuteten tatsächlich darauf hin, dass ringfömige Gebilde und Spiralarme vom Kern nach außen abdriften, angetrieben von Explosionen, die vor mehreren Millionen Jahren stattfanden.

Immer wieder stoßen Astronomen auf unerwartete Phänomene, die nach neuen Erklärungen verlangen. Ein ganz aktuelles Beispiel ist der Fund eines riesigen gebündelten Stroms subatomarer Teilchen, die aus dem Inneren einer entfernten Spiralgalaxie herausschießen. William Keel, Astronom an der Universität Alabama und Leiter des Entdeckerteams, betont: »Wir haben immer gedacht, dass Spiralen die falsche Art von Galaxien seien, um solche gewaltigen Jets zu erzeugen. Doch nun müssen wir unsere Vorstellungen davon, was diese Gebilde erzeugt, noch einmal überdenken.« Bislang nämlich beobachteten die Astronomen nur bei elliptischen oder kollidierenden Systemen solche Jets.

Die ungewöhnliche Spiralgalaxie befindet sich in dem locker aufgebauten Galaxienhaufen Abell 428, knapp eine Milliarde Lichtjahre von uns entfernt. Lange war nicht klar, ob jene Welteninsel mit der nüchternen Bezeichnung 0313-192 überhaupt eine Spirale ist. Doch die im Frühjahr im Hubble-Teleskop installierte Hochleistungskamera ACS und ergänzende Infrarotaufnahmen des acht-Meter-Gemini-South-Teleskops lieferten klare Beweise. Sie zeigen eine typische Spiralgalaxie, die sich uns exakt in Kantenstellung präsentiert. Unverwechselbar verläuft in ihrer mittleren Ebene das auch aus unserem Milchstraßensystem gut bekannte dunkle Staubband und ganz zentral wölbt sich ein glühender Kern. Im überlagerten Radiobild des Very Large Array, New Mexico, fügt sich hier der wahrhaft gigantische Jet exakt ein. Die galaktischen Fontänen drängen nach allem, was heute bekannt ist, aus der Umgebung supermassiver Schwarzer Löcher ins All. »Diese Galaxie zeigt Anzeichen für ein sehr massereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum«, erläutert Keel, »und die Jets bahnen sich den kürzesten Weg hinaus aus dem Gas.« 0313-192 weist einige Merkwürdigkeiten auf. Ihre Scheibe erscheint etwas verbogen. Vielleicht verschluckte sie einst eine Zwerggalaxie. Mit künftigen Forschungen wollen die Experten klären, was sich hier abspielt und warum diese Galaxie bisher die einzige gesichtete »Jet-Spirale« ist. So hoffen sie, den Wirbeln im All zumindest ein weiteres Geheimnis entlocken zu können.

Facts:

Erstmals spürten Astronomen einen riesigen Materiejet auf, der aus einer Spiralgalaxie hervorstößt.

Lord Rosse entdeckte 1845 als Erster die Spiralstruktur in einem »Nebel«.

Radioastronomische Beobachtungen von neutralem Wasserstoff liefern Karten des Milchstraßensystems.

Neuere Beobachtungen zeigen, dass unsere Galaxie möglicherweise vier Spiralarme besitzt, doch selbst heute bleibt die genaue Struktur verborgen.

Die Dichtewellentheorie versucht zu erklären, warum sich Spiralarme nicht sofort wieder auflösen.

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