Galaxienentwicklung — aus Gas werden Sternsysteme

Die Spiralarme auf einer Aufnahme sind eine Momentaufnahme aus einer Geschichte von dreizehn Milliarden Jahren. Um sie zu verstehen, muss man neben den Sternen auch das Gas betrachten, aus dem sie entstehen, den weit ausgedehnten Halo, in dem alles eingebettet ist — und die Rückkopplung, mit der Sterne und Schwarze Löcher ihre eigene Galaxie bremsen.

Der Anfang: Dichteschwankungen und Halos

Die kosmische Hintergrundstrahlung zeigt das Universum 380 000 Jahre nach dem Urknall als fast perfekt gleichmäßig — mit Dichteunterschieden von nur einem Hunderttausendstel. Die Gravitation verstärkt solche Unterschiede: Dichtere Regionen ziehen Materie an, dünnere leeren sich. Zuerst sammelt sich die Dunkle Materie, die nur Gravitation spürt, zu Halos; das gewöhnliche Gas fällt hinterher, wird durch den Fall aufgeheizt und muss dann Energie abstrahlen, um weiter zusammenzusinken. Wo es das kann, kühlt es, verdichtet sich und bildet die ersten Sterne — nach heutigen Beobachtungen schon wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Weil das einfallende Gas fast immer ein wenig Drehimpuls mitbringt, den es nicht loswerden kann, sammelt es sich in einer rotierenden Scheibe. Das ist der Grund, warum es Spiralgalaxien überhaupt gibt. ESA: Strukturbildung

Von klein nach groß: hierarchisches Wachstum

Im kosmologischen Standardmodell entstehen die kleinen Strukturen zuerst und die großen aus ihnen — Galaxien wachsen, indem Halos verschmelzen und Gas entlang der Filamente des kosmischen Netzes nachströmt. Jede große Galaxie hat deshalb einen Verschmelzungsbaum: Dutzende kleinerer Vorläufer, die sie im Laufe der Zeit aufgenommen hat. Die Milchstraße ist dafür der am besten untersuchte Fall. Die Raumsonde Gaia hat in den Bewegungen der Halosterne die Überreste einer Galaxie gefunden, die vor etwa zehn Milliarden Jahren mit der jungen Milchstraße verschmolzen ist — „Gaia-Enceladus“, damals vielleicht ein Viertel so schwer wie die Milchstraße selbst. Die Sagittarius-Zwerggalaxie wird gerade jetzt zerrissen und hinterlässt einen Sternstrom um die ganze Galaxis. Und in M 31 verrät ein riesiger Sternstrom eine Begegnung, die noch nicht lange zurückliegt. Keiner dieser Vorgänge ist im Bild einer Galaxie direkt zu sehen; man findet sie in den Bahnen und der chemischen Zusammensetzung einzelner Sterne. Helmi et al. (2018): Gaia-Enceladus

Der „kosmische Mittag“ liegt lange zurück: Als das Universum drei bis vier Milliarden Jahre alt war, entstanden im Mittel zehnmal so viele Sterne wie heute. Die Kurve ist schematisch nach den Messungen von Madau und Dickinson (2014); die Milchstraßen-Ereignisse sind grobe Zeitangaben. Madau & Dickinson (2014)

Der Kreislauf des Gases

Eine Galaxie ist kein abgeschlossener Behälter. Die Milchstraße bildet etwa ein bis zwei Sonnenmassen an Sternen pro Jahr, und ihr Vorrat an kaltem Gas reicht bei diesem Tempo nur für ein bis zwei Milliarden Jahre. Dass sie trotzdem seit zehn Milliarden Jahren Sterne bildet, geht nur mit Nachschub: Gas strömt aus dem Halo und aus dem intergalaktischen Raum nach, oft entlang dünner Filamente. Zugleich blasen Supernovae und Sternwinde Gas aus der Scheibe hinaus in das zirkumgalaktische Medium — eine heiße, dünne Gashülle, die mehr Masse enthalten kann als alle Sterne der Galaxie zusammen. Ein Teil dieses Gases kühlt später ab und fällt zurück, angereichert mit den schweren Elementen der vorigen Sterngeneration. Aus diesem Kreislauf stammen letztlich auch die Elemente, aus denen Planeten bestehen. Tumlinson et al. (2017): Das zirkumgalaktische Medium

KI-generierte Illustration: Gaszufuhr zur Scheibe und ausströmendes Gas stehen für den Kreislauf aus Sternentstehung und Rückkopplung. Die Ströme sind zur Erklärung sichtbar gemacht; Farben und Größenverhältnisse sind illustrativ. **Dieses Bild ist KI-generiert** — keine Aufnahme, sondern eine Veranschaulichung.

Rückkopplung: Sterne und Schwarze Löcher regeln nach

Ohne Bremse würde das Gas einer jungen Galaxie in kurzer Zeit fast vollständig zu Sternen werden. Beobachtet wird das Gegenteil: Nur ein kleiner Teil des Gases eines Halos endet je in Sternen. Der Grund heißt Rückkopplung. In kleinen Galaxien reichen die Winde massereicher Sterne und die Explosionen der Supernovae, um Gas zu erhitzen und aus dem flachen Schwerefeld ganz hinauszublasen — Zwerggalaxien verlieren so ihr Gas oft für immer. In massereichen Galaxien greift ein anderer Mechanismus: das zentrale Schwarze Loch. Solange es Gas verschluckt, gibt seine Umgebung als aktiver galaktischer Kern gewaltige Energiemengen ab, die das Gas im Halo heiß halten und daran hindern, abzukühlen und neue Sterne zu bilden. Dass die Masse des Schwarzen Lochs eng mit der Masse des umgebenden Zentralbereichs zusammenhängt, ist ein Hinweis, dass beide gemeinsam gewachsen sind. Erst mit dieser Rückkopplung stimmen Simulationen mit der Zahl und Helligkeit der beobachteten Galaxien überein. Kormendy & Ho (2013): Schwarze Löcher und ihre Galaxien

Blau, grün, rot: wenn die Sternentstehung erlischt

Trägt man für viele Galaxien Farbe gegen Helligkeit auf, ergeben sich zwei Wolken. Die blaue Wolke enthält die Scheibengalaxien mit laufender Sternentstehung; die rote Sequenz die elliptischen und linsenförmigen Galaxien, in denen sie erloschen ist. Dazwischen liegt ein dünn besetztes grünes Tal — und dass es dünn besetzt ist, sagt etwas Wichtiges: Der Übergang von Blau nach Rot geht vergleichsweise schnell, in ein bis zwei Milliarden Jahren, sonst würden sich dort mehr Galaxien aufhalten. Was den Übergang auslöst, heißt Quenching. Massereiche Galaxien erledigen es von innen, über ihr Schwarzes Loch. Kleinere verlieren ihr Gas eher von außen — beim Sturz in einen Galaxienhaufen, wo das heiße Haufengas die kalte Scheibe leer fegt. Deshalb sind Elliptische in Haufenzentren häufig und Spiralen dort selten. Strateva et al. (2001): Farb-Zweiteilung der Galaxien

Zwei Wolken und ein Tal: Die Verteilung ist schematisch, nicht gemessen. Die Galerieobjekte stehen dort, wo ihr Typ sie erwarten lässt — die gasreichen Spiralen M 33 und NGC 6946 tief in der blauen Wolke, die massereichen, aber immer noch sternbildenden M 31 und NGC 7331 am oberen Rand, die Begleiter M 32 und M 110 als kleine rote Systeme.

Ohne Begegnung: die innere Entwicklung

Auch eine Galaxie, die lange in Ruhe gelassen wird, bleibt nicht, wie sie ist. Scheiben sind dynamisch aktiv: Sie bilden Balken, Spiralarme und Ringe, und diese Strukturen verteilen Drehimpuls um. Ein Balken schiebt Gas nach innen, wo es in einem Kernring neue Sterne bildet oder ein zentrales Schwarzes Loch speist; über Milliarden Jahre kann er so einen kleinen, scheibenartigen „Pseudo-Bulge“ aufbauen, der sich von den klassischen, durch Verschmelzungen entstandenen Bulges unterscheidet. Man nennt diesen langsamen Weg säkulare Entwicklung. NGC 6951 ist ein Lehrbuchfall: eine Balkenspirale mit einem nur wenige hundert Parsec großen Ring aus jungen Sternhaufen um einen aktiven Kern. Unser Bild zeigt den Balken und die ansetzenden Arme; der Ring liegt darunter, unaufgelöst im hellen Zentrum. Eine Galaxie kann also außen durch Zufluss wachsen, während sich ihr Zentrum auf einem ganz anderen Weg umbaut. Kormendy & Kennicutt (2004): Säkulare Entwicklung

Was unsere Bilder zeigen — und offenlassen

Ein Breitbandbild zeigt die Verteilung des Sternlichts und, als rosa Knoten, die Orte laufender Sternentstehung. Es zeigt nicht das Gas, nicht den Halo, nicht die Bewegungen und nicht das Alter der einzelnen Regionen. Dass NGC 6946 in ihren Armen mehr Sternentstehung zeigt als M 31 in ihren, passt zu den gemessenen Raten — die „Feuerwerksgalaxie“ hat im letzten Jahrhundert zehn Supernovae geliefert, so viele wie keine andere bekannte Galaxie, ein direkter Ausdruck ihres Tempos. Aber die Zahl junger Sterne aus der Helligkeit eines Knotens abzulesen wäre eine Überinterpretation. Und NGC 6951 und NGC 6952 bezeichnen dasselbe Objekt — eine Doppeleintragung im Katalog, kein verschmelzendes Paar.

Ein paar Dinge, die man dazu wissen sollte:

Das Universum hat seinen Höhepunkt hinter sich. Die Sternentstehungsrate ist seit dem kosmischen Mittag um rund eine Größenordnung gefallen. Die meisten Sterne, die je entstehen werden, existieren bereits — auch wenn Galaxien wie die Milchstraße noch Milliarden Jahre weitermachen.
Große Galaxien waren früher fertig. Die massereichsten Systeme bildeten ihre Sterne am frühesten und hörten am frühesten auf; kleine Galaxien sind heute noch aktiv. Dieses „Downsizing“ widerspricht dem naiven Bild, dass Großes am längsten braucht.
Sterne werden nicht recycelt, Gas schon. Ein Stern behält seine Zusammensetzung. Aber das Gas, das er am Ende zurückgibt, ist mit schweren Elementen angereichert — jede Generation startet mit etwas mehr Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen als die vorige.
Die ältesten Sterne der Milchstraße sind fast so alt wie das Universum. Im Halo und in Kugelsternhaufen finden sich Sterne mit über zwölf Milliarden Jahren, entstanden, bevor die Scheibe überhaupt existierte.
Ein rotes System ist nicht tot. Elliptische Galaxien bilden kaum neue Sterne, aber ihre alten leuchten noch viele Milliarden Jahre weiter. „Red and dead“ ist ein Fachjargon, keine Beschreibung.