Die Sonnenblumen-Galaxie, Messier 63, ist relativ zu unserer Sichtlinie geneigt, wobei eine Hälfte deutlich staubiger als die andere erscheint. Dies ist eine weiterentwickelte Spiralgalaxie, die in letzter Zeit keine größere Verschmelzung hatte und nur etwas spiralförmiger (oder flockiger) ist als unsere eigene. (ESA / HUBBLE & NASA)

Wie war es, als die Milchstraße Gestalt annahm?

Vor Milliarden von Jahren wäre die Milchstraße nicht wiederzuerkennen gewesen. So nahm es seine moderne Form an.

Die Milchstraße ist vielleicht nur eine von Billionen im beobachtbaren Universum, aber als unser kosmisches Zuhause einzigartig. Bestehend aus ein paar hundert Milliarden Sternen, etwa einer Billion Sonnenmassen dunkler Materie, einem supermassereichem zentralen Schwarzen Loch und einer Fülle von Gas und Staub sind wir eigentlich ein wenig typisch für moderne Galaxien. Wir gehören weder zu den größten noch zu den kleinsten Galaxien, noch befinden wir uns in einem ultramassiven Haufen oder sind isoliert.

Das Besondere an uns ist jedoch, wie weit entwickelt wir sind. Einige Galaxien wachsen schnell heran, verbrauchen ihren Treibstoff und werden „rot und tot“, wenn sie die Fähigkeit verlieren, neue Sterne zu bilden. Einige Galaxien gehen große Verschmelzungen ein und wandeln sich dabei von Spiralen in elliptische Galaxien um. Andere erleben enorme Gezeitenstörungen, die dazu führen, dass sich die Spiralarme ausbreiten. Aber nicht die Milchstraße. Wir sind genau so aufgewachsen, wie Sie es erwarten. So sind wir dorthin gekommen.

Die Whirlpool-Galaxie (M51) erscheint an ihren Spiralarmen aufgrund einer starken Sternentstehung rosa. In diesem speziellen Fall löst eine nahegelegene Galaxie, die durch die Gravitation mit der Whirlpool-Galaxie interagiert, diese Sternentstehung aus, aber alle Spiralen, die reich an Gas sind, weisen einen gewissen Grad an neuer Sternentstehung auf. (NASA, ESA, S. BECKWITH (STSCI) UND DAS HUBBLE HERITAGE TEAM STSCI / AURA)

Gegenwärtig sind Galaxien wie die Milchstraße unglaublich verbreitet. Hier sind einige Eigenschaften, die normalerweise angezeigt werden:

  • Hunderte von Milliarden von Sternen,
  • konzentriert in eine pfannkuchenähnliche Form,
  • umgeben von Kugelsternhaufen in einer haloähnlichen Form,
  • Spiralarme enthalten, die sich über Zehntausende von Lichtjahren radial nach außen erstrecken,
  • mit einem zentralen stabähnlichen Merkmal, das von einem Ausbuchtungsbereich ausgeht,
  • eine enorme Menge an Gas und Staub in der galaktischen Ebene konzentriert,
  • und junge sternbildende Regionen, in denen das Gas und der Staub am dichtesten sind.

Solch ein Ungetüm übt eine enorme Anziehungskraft auf alles andere in der Nähe aus. Sie können eine solche Galaxie aus der Ferne erkennen, wobei das aus ihr strömende Sternenlicht ihr charakteristisches Werbegeschenk ist. Aber es hätte nicht für immer so sein können. Was wir als unser Universum kennen, begann mit dem Urknall vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren, und Galaxien konnten nicht immer so gewesen sein. Wenn wir weit genug zurückblicken, können wir tatsächlich feststellen, dass sich die Unterschiede abzeichnen.

Mit der heutigen Milchstraße vergleichbare Galaxien sind zahlreich, aber jüngere, milchstraßenähnliche Galaxien sind von Natur aus kleiner, blauer, chaotischer und generell gasreicher als die heutigen Galaxien. Für die ersten Galaxien ist dieser Effekt extrem. Seit jeher befolgen Galaxien diese Regeln. (NASA UND ESA)

Verglichen mit der Milchstraße und anderen milchstraßenähnlichen Galaxien, die wir heute sehen, waren Galaxien:

  • jünger, wie durch eine Zunahme der jungen Sterne belegt,
  • blauer, da die bläulichsten Sterne am schnellsten sterben,
  • kleiner, weil Galaxien miteinander verschmelzen und mit der Zeit mehr Materie anziehen,
  • und weniger spiralförmig, weil wir nur die hellsten Teile der aktivsten, entferntesten, sternbildenden Galaxien sehen.

Unsere heutige Galaxie ist mit anderen Worten das Ergebnis von 13,8 Milliarden Jahren kosmischer Evolution, in denen viele kleine Protogalaxien miteinander verschmolzen und zusätzliche Materie in sie hineingezogen haben. Wir sind das, was bleibt, nachdem unzählige andere Galaxien von unseren eigenen verschluckt wurden.

Sternentstehung, Gasbrücken und unregelmäßig geformte Galaxien sind nur einige der Merkmale, die bei der Hickson Compact Group 31 auftreten. Kompakte Gruppen können häufig veranschaulichen, wie Galaxienfusionen in einer Vielzahl von Stadien und unter verschiedenen Umständen auftreten. (NASA / STSCI / WIKISKY / HUBBLE UND WIKIMEDIA GEMEINSAMER BENUTZER FRIENDLYSTAR)

Die Geschichte, wie wir unsere Milchstraße gebaut haben, ist wie das Bauen einer riesigen Struktur aus LEGOs. Nur, anstatt dass die LEGOs im Laufe der Zeit gleich bleiben, verändern sie aktiv ihre Form, während wir unsere Struktur zusammenbauen. Es wäre, als würde man mit all den Teilen beginnen, um 100 verschiedene X-Wing LEGO-Kämpfer zusammenzustellen, und wenn wir fertig wären, würde man mit einem Sternenzerstörer enden.

Sie sehen, Galaxien wachsen nicht nur, indem sie andere Galaxien anziehen und sich zu größeren Galaxien zusammenschließen. Galaxien entwickeln sich auch, was bedeutet, dass sie:

  • drehen,
  • bilden sie sterne,
  • Trichtermaterie in Richtung Zentrum,
  • Dichtewellen entlang ihrer Spiralarme erzeugen,
  • zusätzliche Materie von außerhalb der Galaxie entlang kosmischer Filamente anziehen,
  • und ändern Sie Form und Orientierung basierend auf den anderen Galaxien und Materie, die in sie fallen.
Mehrwellenlängenkomposit aus wechselwirkenden Galaxien NGC 4038/4039, den Antennen, die ihre namensgebenden Gezeitenschwänze im Radio (Blues), frühere und kürzliche Sternentstehungen in optischen (Weiß und Rosa) und eine Auswahl aktueller Sternentstehungsregionen in mm / submm ( Orangen und Gelbs). Einschub: Die ersten mm / submm-Testansichten von ALMA in den Bereichen 3 (orange), 6 (gelb) und 7 (gelb) zeigen Details, die alle anderen Ansichten in diesen Wellenlängen übertreffen. ((NRAO / AUI / NSF); ALMA (ESO / NAOJ / NRAO); HST (NASA, ESA UND B. WHITMORE (STSCI)); J. HIBBARD (NRAO / AUI / NSF); NOAO / AURA / NSF )

Während sich die frühesten Protogalaxien, die schließlich in die Milchstraße hineinwuchsen, nur 200–250 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben könnten, setzte sich die kosmische Evolution die ganze Zeit über fort.

Die erste Phase bestand in der Bildung der ersten Sterne und Sternhaufen, die rund 100 Millionen Jahre in Anspruch nehmen und aus dem ursprünglichen Material (Wasserstoff und Helium) des Urknalls entstanden sind. Diese Sternhaufen entwickelten sich schnell und führten zu einem sehr schnellen Lebensende ihrer Sterne. Als diese Sterne starben, verseuchten sie das interstellare Medium mit schweren Elementen, aus denen dann die zweite Generation von Sternen hervorging. Nach 200 bis 300 Millionen Jahren waren Sternhaufen miteinander verschmolzen und es entstanden die ersten Galaxien.

Galaxien, die derzeit Gravitationswechselwirkungen oder Fusionen ausgesetzt sind, bilden fast immer auch neue, helle, blaue Sterne. Einfacher Kollaps ist der Weg, um zuerst Sterne zu bilden, aber der größte Teil der Sternentstehung, die wir heute sehen, resultiert aus einem gewalttätigeren Prozess. Die unregelmäßigen oder gestörten Formen solcher Galaxien sind ein Schlüsselelement dafür, dass dies der Fall ist, und die Beweise für diese Fusionen können so weit zurückreichen, wie unsere Teleskope derzeit sehen können. (NASA, ESA, P. OESCH (UNIVERSITÄT GENF) UND M. MONTES (UNIVERSITÄT FÜR NEUE SÜDWALE))

Das kosmische Netz nimmt dann Gestalt an. Mit der Zeit kann die Gravitation immer größere Entfernungen erreichen, wodurch größere Materieklumpen hineinfallen. Wenn ein Klumpen, der kleiner als die frühe Galaxie ist, herunterfällt, wird er zügig auseinandergerissen und in das Innere der Galaxie geleitet langsam, wo es einfach im Laufe der Zeit aufgenommen werden kann.

Diese geringfügigen Fusionen sind weit verbreitet, und alles, was bis zu einem Drittel der Masse der gesamten Galaxie ausmacht, fällt in diese Kategorie. Alle internen Strukturen wie Spiralarme, Sternentstehungsbereiche, Stangen oder Ausbuchtungen sollten intakt bleiben. In der Zwischenzeit liefert das zusätzliche Gas und der Staub neuen Kraftstoff für neue Generationen von Sternen. Die Sternentstehung verstärkt sich normalerweise bei Fusionsereignissen, auch bei kleineren. In den ersten zwei oder drei Milliarden Jahren war dieser Prozess weit verbreitet.

Wenn es im Universum zu größeren Zusammenschlüssen von Galaxien ähnlicher Größe kommt, bilden sie aus dem darin enthaltenen Wasserstoff- und Heliumgas neue Sterne. Dies kann zu stark erhöhten Sternentstehungsraten führen, ähnlich wie wir es in der nahe gelegenen Galaxie Henize 2–10 beobachten, die 30 Millionen Lichtjahre entfernt liegt. Diese Galaxie wird sich wahrscheinlich nach dem Zusammenschluss zu einer riesigen elliptischen Galaxie entwickeln. (RÖNTGEN (NASA / CXC / VIRGINIA / A.REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OPTICAL (NASA / STSCI))

Aber mit der Zeit und der Expansion des Universums werden Fusionen im Durchschnitt seltener, aber bedeutender. Galaxien klumpen und gruppieren sich zu Gruppen unterschiedlichster Größe, können jedoch gelegentlich große Galaxienhaufen mit der hundert- oder sogar tausendfachen Masse unserer eigenen lokalen Gruppe bilden. Diese dichten Galaxienhaufen sind einige der spektakulärsten Sehenswürdigkeiten im Universum, aber sie sind auch relativ selten: Die Mehrheit der Masse und die Mehrheit der Galaxien befinden sich in kleinen Gruppen wie unserer, nicht in den massiven Haufen, die wir so sehen überwiegend in unserem Universum. Nach 4 oder 5 Milliarden Jahren war klar, dass wir niemals Teil eines massiven Clusters werden würden.

Es ist jedoch wichtig, dass wir diese Fusionen klein halten. Wenn es sich um eine größere Galaxie handelt, bei der zwei Galaxien ähnlicher Größe kollidieren, können sie einen enormen Ausbruch der Sternentstehung auslösen, der das gesamte verfügbare Sternentstehungsgas verbrauchen und die Materie in der Galaxie „durchmischen“ kann.

Der ultramassive, sich verschmelzende dynamische Galaxienhaufen Abell 370 mit der Gravitationsmasse (meistens dunkle Materie) in blau. Viele elliptische Galaxien befinden sich in solchen massiven Clustern, die das Ergebnis großer Fusionen sind, die vor Milliarden von Jahren stattgefunden haben. Es gibt immer noch eine große Anzahl von Spiralen, da die Gesamtmasse dieses Galaxienhaufens das Tausendfache der lokalen Gruppe übersteigen kann. (NASA, ESA, D. HARVEY (SCHWEIZERISCHES BUNDESINSTITUT FÜR TECHNOLOGIE), R. MASSEY (DURHAM UNIVERSITY, UK), DAS HUBBLE SM4 ERO TEAM UND ST-ECF)

Dies führt in der Regel zur Entstehung einer riesigen elliptischen Galaxie: Eine Galaxie, die Sterne auf einmal in enormer Anzahl und dann nie wieder bildet. Dies ist das Endstadium der Galaxienentwicklung für die meisten Galaxien, aber es beruht darauf, dass mehrere große Galaxien zusammenschlagen. Diese Erkenntnis hilft zu erklären, warum riesige Ellipsen in massiven Galaxienhaufen häufig vorkommen, aber in Gruppen oder isoliert viel seltener.

Es braucht eine Menge Masse, die im Laufe der Zeit aufgebaut wird, um eine große Fusion zu schaffen. Solange eine Galaxie massereich genug ist (wie in der Milchstraße oder vergleichbar), steht Material zur Bildung neuer Sterne (Gas) zur Verfügung. Solange Galaxien einen Drehimpuls und eine bevorzugte Rotationsachse haben (was sie auch ohne größere Verschmelzung tun), und solange sie genug Zeit haben, sich in eine stabile Form zu setzen (die sie alle haben, es sei denn, es gibt eine) Wir gehen davon aus, dass sie eine spiralförmige Form haben werden.

Die isolierte Galaxie MCG + 01–02–015, die seit über 100.000.000 Lichtjahren in alle Richtungen einsam ist, gilt derzeit als die einsamste Galaxie im Universum. Die Merkmale, die in dieser Galaxie zu sehen sind, stimmen damit überein, dass es sich um eine massive Spirale handelt, die sich aus einer langen Reihe kleinerer Fusionen gebildet hat, auf dieser Front jedoch seit Milliarden von Jahren relativ leise ist. (ESA / HUBBLE & NASA UND N. GORIN (STSCI); ANERKENNUNG: JUDY SCHMIDT)

Unsere Milchstraße ist wahrscheinlich aus einer Reihe von Protogalaxien gewachsen, die sich spiralförmig ansiedelten und dann nach und nach viele der kleineren Galaxien der lokalen Gruppe verschlungen haben. Wir haben nicht einmal die Mehrheit von ihnen gesammelt. Diese Ehre gilt unserem Nachbarn Andromeda. Noch sind wir fertig: Es gibt heute Satellitengalaxien, die mit uns verschmelzen, und ein paar Galaxien in unseren Außenbezirken, wie die beiden Magellanschen Wolken, die wahrscheinlich in den nächsten paar hundert Millionen Jahren verschlungen werden.

Die kosmische Geschichte, aus der die Milchstraße hervorging, ist eine der größten. Wenn es darum geht, die Galaxie zu beherrschen, ist die Masse der überwältigende Faktor.

Im Laufe der Zeit begann sich diese flache, scheibenartige Form aufzuwickeln. Unsere Spiralarme wurden ausgeprägter und entwickelten mehr Windungen. Sporen lösten sich von den Armen und Gravitationswechselwirkungen führten dazu, dass wir Sterne an den hinteren Enden unserer Galaxie bildeten. Zusätzliches Gas strömte in den Stadtrand und wurde schließlich in die Mitte geleitet.

Während sich Galaxien weiterentwickeln, entwickeln sie auch Merkmale, die wir möglicherweise erkennen. Im dichtesten Bereich der Materie bildet sich eine zentrale Ausbuchtung. Es gibt Wege, die die Materie erfolgreicher in den Kern treiben: Eine zentrale Stange entwickelt sich und wächst. Die Dynamik von Gas und Sternen führt dazu, dass die Galaxie zu einer noch dünneren Scheibe wird und sich zu den Rändern hin ausbreitet, wobei der Radius zunimmt, die Dicke jedoch abnimmt.

Und schließlich, wie die Schwerkraft das Unvermeidliche tut, verschmelzen alle aneinander gebundenen Galaxien schließlich. Die Milchstraße selbst ist in ungefähr 4 Milliarden Jahren für eine Fusion mit Andromeda vorgesehen.

Eine Reihe von Standbildern, die die Verschmelzung von Milchstraße und Andromeda zeigen und zeigen, wie sich der Himmel dabei von der Erde unterscheidet. Diese Fusion wird in etwa 4 Milliarden Jahren stattfinden. Ein gewaltiger Ausbruch der Sternentstehung führt zu einer rot-toten, gasfreien elliptischen Galaxie: Milkdromeda. Eine einzelne große Ellipse ist das Schicksal der gesamten lokalen Gruppe. (NASA; Z. LEVAY UND R. VAN DER MAREL, STSCI; T. HALLAS; UND A. MELLINGER)

Die kosmische Geschichte, die zur Milchstraße führte, ist eine Geschichte ständiger Evolution. Wir haben uns wahrscheinlich aus Hunderten oder sogar Tausenden kleinerer Galaxien im Frühstadium gebildet, die miteinander verschmolzen sind. Die Spiralarme bildeten sich wahrscheinlich und wurden viele Male durch Wechselwirkungen zerstört, nur um sich aus der rotierenden, gasreichen Natur einer sich entwickelnden Galaxie neu zu formen. Die Sternentstehung fand in Wellen statt, die häufig durch kleinere Fusionen oder gravitative Wechselwirkungen ausgelöst wurden. Und diese Wellen der Sternentstehung brachten einen Anstieg der Supernova-Raten und der Schwermetallanreicherung mit sich. (Das klingt nach jedermanns Lieblingsbeschäftigung nach der Schule.)

Diese kontinuierlichen Veränderungen finden immer noch statt und werden in Milliarden von Jahren zum Abschluss kommen, wenn alle Galaxien der lokalen Gruppe zusammengewachsen sind. Jede einzelne Galaxie hat ihre eigene kosmische Geschichte, und die Milchstraße ist nur ein typisches Beispiel. So erwachsen wir auch sind, wir entwickeln uns weiter.

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Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.