Nachdem Hubble und andere die Existenz anderer Galaxien festgestellt hatten, begannen Sie sie genauer zu beobachten—notieren Sie ihre Formen, ihren Inhalt und so viele andere Eigenschaften, wie sie messen könnten., Dies war eine entmutigende Aufgabe in den 1920er Jahren, als ein einzelnes Foto oder Spektrum einer Galaxie eine ganze Nacht unermüdlicher Beobachtung machen konnte. Heutzutage haben größere Teleskope und elektronische Detektoren diese Aufgabe weniger schwierig gemacht, obwohl die Beobachtung der entferntesten Galaxien (die uns das Universum in seinen frühesten Phasen zeigen) immer noch enormen Aufwand erfordert.

Der erste Schritt beim Versuch, einen neuen Objekttyp zu verstehen, besteht oft darin, ihn einfach zu beschreiben. Denken Sie daran, der erste Schritt zum Verständnis von Sternspektren bestand einfach darin, sie nach Aussehen zu sortieren (siehe Sternenlicht analysieren)., Wie sich herausstellt, haben die größten und leuchtendsten Galaxien eine von zwei Grundformen: Entweder sind sie flacher und haben spiralförmige Arme wie unsere eigene Galaxie, oder sie scheinen elliptisch zu sein (blimp – oder zigarrenförmig). Viele kleinere Galaxien haben dagegen eine unregelmäßige Form.

Spiralgalaxien

Unsere eigene Galaxie und die Andromedagalaxie sind typische, große Spiralgalaxien. Sie bestehen aus einer zentralen Ausbuchtung, einem Heiligenschein, einer Scheibe und Spiralarmen. Interstellares Material wird normalerweise über die Scheiben von Spiralgalaxien verteilt., Helle Emissionsnebel und heiße, junge Sterne sind besonders in den Spiralarmen vorhanden, was zeigt, dass immer noch eine neue Sternentstehung stattfindet. Die Festplatten sind oft staubig, was sich besonders in den Systemen bemerkbar macht, auf denen wir fast Edge sehen (Abbildung).

Abbildung 1: Spiralgalaxien. (a) Die Spiralarme von M100, die hier gezeigt werden, sind blauer als der Rest der Galaxie und weisen auf junge Sterne mit hoher Masse und sternbildende Regionen hin., (b) Wir sehen diese Spiralgalaxie, NGC 4565, fast genau an, und aus diesem Winkel können wir den Staub in der Ebene der Galaxie sehen; es erscheint dunkel, weil es das Licht der Sterne in der Galaxie absorbiert. (credit a: Änderung der Arbeit von Hubble Legacy Archive, NASA, ESA und Judy Schmidt; credit b: Änderung der Arbeit von „Jschulman555″/ Wikimedia)

In Galaxien, denen wir gegenüberstehen, lassen die hellen Sterne und Emissionsnebel die Arme von Spiralen wie die eines Windrads am 4.Juli hervorstechen., Offene Sternhaufen sind in den Armen näherer Spiralen zu sehen, und Kugelhaufen sind oft in ihren Halos sichtbar. Spiralgalaxien enthalten eine Mischung aus jungen und alten Sternen, genau wie die Milchstraße. Alle Spiralen drehen sich, und die Drehrichtung ist so, dass die Arme ähnlich wie die eines Bootes zu sein scheinen.

Etwa zwei Drittel der nahe gelegenen Spiralgalaxien haben kastenförmige oder erdnussförmige Sterne, die durch ihre Zentren verlaufen (Abbildung 2). Astronomen zeigen große Originalität und nennen diese Galaxien gesperrte Spiralen.,

Abbildung 2: Barred Spiral Galaxy. NGC 1300, hier gezeigt, ist eine verschlossene Spiralgalaxie. Beachten Sie, dass die Spiralarme an den Enden der Stange beginnen. (credit: NASA, ESA und das Hubble Heritage Team(STScI/AURA))

Wie wir im Kapitel Milchstraße bemerkt haben, hat unsere Galaxie auch eine bescheidene Messlatte. Die Spiralarme beginnen normalerweise an den Enden der Stange. Die Tatsache, dass Balken so häufig sind, legt nahe, dass sie langlebig sind; Es kann sein, dass die meisten Spiralgalaxien irgendwann während ihrer Entwicklung einen Balken bilden.,

Sowohl in gesperrten als auch in nicht gesperrten Spiralgalaxien beobachten wir eine Reihe verschiedener Formen. An einem Extrem ist die zentrale Ausbuchtung groß und leuchtend, die Arme sind schwach und eng gewickelt, und helle Emissionsnebel und Überriesensterne sind unauffällig. Hubble, der ein System zur Klassifizierung von Galaxien nach Form entwickelte, gab diesen Galaxien die Bezeichnung Sa. Galaxien in diesem Extrem haben möglicherweise keine klare Spiralarmstruktur, was zu einem linsenartigen Erscheinungsbild führt (sie werden manchmal als Linsengalaxien bezeichnet)., Diese Galaxien scheinen so viele Eigenschaften mit elliptischen Galaxien zu teilen wie mit Spiralgalaxien

Im anderen Extrem ist die zentrale Ausbuchtung klein und die Arme sind lose gewickelt. In diesen kleinen Galaxien sind leuchtende Sterne und Emissionsnebel sehr prominent. Unsere Galaxie und die Andromeda-Galaxie sind beide zwischen den beiden Extremen. Fotos von Spiralgalaxien, die die verschiedenen Typen veranschaulichen, sind in Abbildung 3 zusammen mit elliptischen Galaxien zum Vergleich dargestellt.

Abbildung 3: Hubble-Klassifikation für Galaxien., Diese Abbildung zeigt Edwin Hubbles ursprüngliche Klassifizierung von Galaxien. Elliptische Galaxien sind auf der linken Seite. Auf der rechten Seite sehen Sie die dargestellten Grundspiralformen sowie Bilder von tatsächlich gesperrten und nicht gesperrten Spiralen. (credit: Modifikation der Arbeit von NASA, ESA)

Die leuchtenden Teile von Spiralgalaxien scheinen im Durchmesser von etwa 20.000 bis mehr als 100.000 Lichtjahren zu liegen. Neuere Studien haben gezeigt, dass es wahrscheinlich eine große Menge galaktischen Materials gibt, das weit über den scheinbaren Rand von Galaxien hinausreicht., Dieses Material scheint dünnes, kaltes Gas zu sein, das in den meisten Beobachtungen schwer zu erkennen ist.

Aus den verfügbaren Beobachtungsdaten werden die Massen der sichtbaren Teile von Spiralgalaxien auf 1 Milliarde bis 1 Billion Sonnen (109 bis 1012MSun) geschätzt. Die Gesamtleuchtkraft der meisten Spiralen liegt im Bereich von 100 Millionen bis 100 Milliarden Mal der Leuchtkraft unserer Sonne (108 bis 1011LSun). Unsere Galaxie und M31 sind relativ groß und massiv, wie Spiralen gehen., Es gibt auch beträchtliche dunkle Materie in und um die Galaxien, genau wie in der Milchstraße; Wir leiten ihre Anwesenheit davon ab, wie schnell sich Sterne in den äußeren Teilen der Galaxie in ihren Umlaufbahnen bewegen.

Elliptische Galaxien

Elliptische Galaxien bestehen fast ausschließlich aus alten Sternen und haben Formen, die Kugeln oder Ellipsoide sind (etwas gequetschte Kugeln) (Abbildung 4). Sie enthalten keine Spur von Spiralarmen. Ihr Licht wird von älteren rötlichen Sternen dominiert (die Population II Sterne in der Milchstraße)., In den größeren nahe gelegenen Ellipticals können viele Kugelsternhaufen identifiziert werden. Staub – und Emissionsnebel sind in elliptischen Galaxien nicht auffällig, aber viele enthalten eine kleine Menge interstellarer Materie.

Abbildung 4: Elliptische Galaxien. (a) der ESO 325-G004 ist eine riesige elliptische Galaxie. Andere elliptische Galaxien sind an den Rändern dieses Bildes zu sehen. (b) Diese elliptische Galaxie entstand wahrscheinlich aus der Kollision zweier Spiralgalaxien., (credit a: Änderung der Arbeit von NASA, ESA und dem Hubble Heritage Team (STScI/AURA); credit b: Änderung der Arbeit von ESA/Hubble, NASA)

Elliptische Galaxien zeigen verschiedene Abflachungsgrade, die von Systemen reichen, die ungefähr kugelförmig sind, bis zu solchen, die sich der Ebenheit von Spiralen nähern. Die seltenen Riesen-Ellipsen (z. B. ESO 325-G004 in Abbildung 4) erreichen Leuchtstärken von 1011LSun. Die Masse in einem riesigen elliptischen kann so groß sein wie 1013MSun., Die Durchmesser dieser großen Galaxien erstrecken sich über mehrere hunderttausend Lichtjahre und sind wesentlich größer als die größten Spiralen. Obwohl einzelne Sterne das Zentrum einer elliptischen Galaxie umkreisen, sind die Bahnen nicht alle in der gleichen Richtung, wie es in Spiralen vorkommt. Daher scheinen sich Ellipsen nicht systematisch zu drehen, was es schwierig macht abzuschätzen, wie viel dunkle Materie sie enthalten.

Wir finden, dass elliptische Galaxien den ganzen Weg von den gerade beschriebenen Riesen bis zu Zwergen reichen, die die häufigste Art von Galaxie sein können., Zwerg ellipticals (manchmal Zwerg sphäroidals genannt) entgangen unsere Ankündigung für eine lange Zeit, weil sie sehr schwach und schwer zu sehen sind. Ein Beispiel für eine elliptische Zwerggalaxie ist die kugelförmige Leo – I-Zwerggalaxie in Abbildung 5. Die Leuchtkraft dieses typischen Zwergs ist ungefähr gleich der der hellsten Kugelsternhaufen.

Zwischen den elliptischen Riesen – und Zwerggalaxien befinden sich Systeme wie M32 und M110, die beiden Begleiter der Andromeda-Galaxie. Während sie oft als Zwerg ellipticals bezeichnet werden, sind diese Galaxien deutlich größer als Galaxien wie Leo I.,

Abbildung 5: Elliptische Zwerggalaxie. M32, eine elliptische Zwerggalaxie und einer der Begleiter der riesigen Andromeda-Galaxie M31. M32 ist nach galaktischen Maßstäben ein Zwerg, da er nur 2400 Lichtjahre entfernt ist. (credit: NOAO / AURA/NSF)

Unregelmäßige Galaxien

Hubble klassifizierte Galaxien, die nicht die regulären Formen haben, die den Kategorien zugeordnet sind, die wir gerade beschrieben haben, in den Auffangbehälter einer unregelmäßigen Galaxie, und wir verwenden weiterhin seinen Begriff., Typischerweise haben unregelmäßige Galaxien niedrigere Massen und Helligkeiten als Spiralgalaxien. Unregelmäßige Galaxien erscheinen oft unorganisiert und viele durchlaufen eine relativ intensive Sternentstehungsaktivität. Sie enthalten sowohl junge Bevölkerung I Sterne als auch alte Bevölkerung II Sterne.

Die beiden bekanntesten unregelmäßigen Galaxien sind die Große Magellansche Wolke und die Kleine Magellansche Wolke (Abbildung 6), die etwas mehr als 160.000 Lichtjahre entfernt sind und zu unseren nächsten extragalaktischen Nachbarn gehören., Ihre Namen spiegeln die Tatsache wider, dass Ferdinand Magellan und seine Crew auf ihrer Weltreise die ersten europäischen Reisenden waren, die sie bemerkten. Obwohl diese beiden Systeme von den Vereinigten Staaten und Europa aus nicht sichtbar sind, sind sie von der südlichen Hemisphäre aus sichtbar, wo sie wie wispige Wolken am Nachthimmel aussehen. Da sie nur etwa ein Zehntel so weit entfernt sind wie die Andromeda-Galaxie, bieten sie Astronomen eine hervorragende Gelegenheit, Nebel, Sternhaufen, variable Sterne und andere Schlüsselobjekte in der Umgebung einer anderen Galaxie zu untersuchen., Zum Beispiel enthält die Große Magellansche Wolke den 30-Doradus-Komplex (auch als Tarantelnebel bekannt), eine der größten und leuchtendsten Gruppen von Überriesen, die in jeder Galaxie bekannt sind.

Abbildung 6: 4-Meter-Teleskop am Cerro Tololo Inter-American Observatory Silhouette gegen den Südlichen Himmel. Die Milchstraße ist rechts von der Kuppel zu sehen, und die großen und kleinen Magellanischen Wolken sind links zu sehen., (credit: Roger Smith / NOAO / AURA / NSF)

Die Kleine Magellansche Wolke ist wesentlich weniger massiv als die Große Magellansche Wolke, und es ist sechsmal länger als es breit ist. Dieser schmale Stoffklumpen zeigt wie ein Pfeil direkt auf unsere Galaxie. Die kleine Magellansche Wolke wurde höchstwahrscheinlich durch Gravitationswechselwirkungen mit der Milchstraße in ihre aktuelle Form verzerrt., Eine große Spur von Trümmern aus dieser Wechselwirkung zwischen der Milchstraße und der kleinen Magellanschen Wolke wurde über den Himmel verstreut und wird als eine Reihe von Gaswolken gesehen, die sich mit ungewöhnlich hoher Geschwindigkeit bewegen, bekannt als Magellanischer Strom. Wir werden sehen, dass diese Art der Interaktion zwischen Galaxien dazu beitragen wird, die unregelmäßigen Formen dieser ganzen Kategorie kleiner Galaxien zu erklären

Galaxienentwicklung

Ermutigt durch den Erfolg des H-R-Diagramms für Sterne (siehe Sternenlicht analysieren) hofften Astronomen, die Galaxien untersuchten, eine Art vergleichbares Schema zu finden, in dem Unterschiede im Aussehen an verschiedene Evolutionsstadien im Leben von Galaxien gebunden sein könnten. Wäre es nicht schön, wenn sich zum Beispiel jede elliptische Galaxie zu einer Spirale entwickeln würde, so wie sich jeder Hauptsequenzstern zu einem roten Riesen entwickelt? Einige einfache Ideen dieser Art wurden ausprobiert, einige von Hubble selbst, aber keine bestand den Test der Zeit (und Beobachtung).,

Da kein einfaches Schema für die Entwicklung eines Galaxientyps in einen anderen gefunden werden konnte, tendierten die Astronomen dann zum entgegengesetzten Standpunkt. Für eine Weile dachten die meisten Astronomen, dass sich alle Galaxien sehr früh in der Geschichte des Universums bildeten und dass die Unterschiede zwischen ihnen mit der Rate der Sternentstehung zu tun hatten. Ellipsen waren jene Galaxien, in denen die gesamte interstellare Materie schnell in Sterne umgewandelt wurde. Spiralen waren Galaxien, in denen die Sternentstehung über die gesamte Lebensdauer der Galaxie langsam stattfand. Diese Idee erwies sich auch als zu einfach.,

Heute verstehen wir, dass sich zumindest einige Galaxien in den Milliarden von Jahren seit Beginn des Universums verändert haben. Wie wir in späteren Kapiteln sehen werden, können Kollisionen und Verschmelzungen zwischen Galaxien Spiralgalaxien dramatisch in elliptische Galaxien verwandeln. Selbst isolierte Spiralen (ohne Nachbargalaxien in Sicht) können ihr Aussehen im Laufe der Zeit verändern. Wenn sie ihr Gas verbrauchen, verlangsamt sich die Rate der Sternbildung und die Spiralarme werden allmählich weniger auffällig., Über lange Zeiträume sehen Spiralen daher eher wie die Galaxien in der Mitte von Abbildung 3 aus (die Astronomen als S0-Typen bezeichnen).

In den letzten Jahrzehnten hat sich das Studium der Entwicklung von Galaxien im Laufe der Lebensdauer des Universums zu einem der aktivsten Bereiche der astronomischen Forschung entwickelt. Wir werden die Entwicklung von Galaxien in der Evolution und Verteilung von Galaxien ausführlicher diskutieren, aber lassen Sie uns zunächst etwas genauer sehen, wie verschiedene Galaxien aussehen.,

Glossar

elliptische Galaxie: eine Galaxie, deren Form eine Ellipse ist und die kein auffälliges interstellares Material enthält

unregelmäßige Galaxie: eine Galaxie ohne klare Symmetrie oder Muster; weder eine Spirale noch eine elliptische Galaxie

Spiralgalaxie: eine abgeflachte, rotierende Galaxie mit windradartigen Armen aus interstellarem Material und jungen Sternen, die sich aus ihrer zentralen Ausbuchtung herauswickeln