Astronomen können bislang nicht genau sagen, wie viele Galaxien existieren. Die aktuelle Schätzung liegt irgendwo zwischen 200 Milliarden (2×10^11) und 2 Billionen, und diese Spanne selbst erzählt eine Geschichte: Jedes Mal, wenn Teleskope besser darin wurden, schwache, entfernte Lichtflecken zu erkennen, ist die Zahl gestiegen.
Eine Galaxie ist in ihrer einfachsten Form eine gravitativ gebundene Ansammlung von Sternen, Gas, Staub und dunkler Materie. Aber "Galaxie" umfasst eine enorme Bandbreite von Objekten. Galaxien haben im Durchschnitt etwa 100 Millionen Sterne und reichen von Zwergen mit weniger als tausend Sternen bis zu Superriesen mit einhundert Billionen Sternen, von denen jeder sein Galaxiezentrum umkreist. Dieser Artikel befasst sich mit Galaxien als Objektklasse – wie sie klassifiziert werden, wie groß sie werden, was sie zusammenhält, und welche derzeit den Rekord für die größte Entfernung hält.
Wie viele Galaxien gibt es da draußen?
Das Hubble Deep Field, eine extrem lange Belichtung eines relativ leeren Himmelsstücks, gab Astronomen ihren ersten realen Anhaltspunkt für die Frage: Es lieferte Hinweise auf etwa 125 Milliarden (1,25×10^11) Galaxien im beobachtbaren Universum. Diese Zahl sah jahrelang autoritativ aus, hauptsächlich weil sie aus dem tiefsten Bild stammte, das Weltraumteleskope je produziert hatten.
Dann, im Jahr 2016, kombinierte eine Studie unter der Leitung von Christopher Conselice von der Universität Nottingham, veröffentlicht in The Astrophysical Journal, viele zusätzliche Datenquellen und erhöhte die Schätzung auf mindestens zwei Billionen (2×10^12) Galaxien im beobachtbaren Universum bis zur Rotverschiebung z=8 – etwa zehn Mal mehr als direkt in Hubble-Bildern zu sehen sind. Die Lücke zwischen den beiden Zahlen ist kein Fehler in einer der Studien; sie zeigt, wie viele Galaxien zu schwach, zu klein oder zu weit entfernt sind, um selbst von einem Wahrzeichen-Bild wie dem Hubble Deep Field einzeln aufgelöst zu werden.
Von Zwergen bis Superriesen
Die meisten Galaxien sind 1.000 bis 100.000 Parsec im Durchmesser, oder ungefähr 3.000 bis 300.000 Lichtjahre, und sie sind von ihren Nachbarn durch Entfernungen in der Größenordnung von Millionen Parsec getrennt. Diese Lücke ist wichtig: Der eigene Durchmesser einer typischen Galaxie wird in Tausenden von Lichtjahren gemessen, aber der leere Raum zwischen ihr und der nächsten Galaxie wird in Millionen gemessen.
Innerhalb dieser 1.000-zu-100.000-Parsec-Spanne gibt es eine enorme Bandbreite von Populationen. Eine Zwerggalaxie kann weniger als tausend Sterne enthalten, während eine Superriese etwa einhundert Billionen enthalten kann – ein Unterschied von etwa elf Größenordnungen in der Sternzahl zwischen den kleinsten und größten bekannten Galaxien.
Das meiste von einer Galaxie können Sie nicht sehen
Sterne und leuchtendes Gas sind das, was eine Galaxie sichtbar macht, aber sie machen nicht den größten Teil ihrer Masse aus. Die meiste Masse in einer typischen Galaxie besteht aus dunkler Materie, mit nur wenigen Prozent dieser Masse sichtbar in Form von Sternen und Nebeln. Mit anderen Worten, die helle Scheibe oder der Balken, der in einer Fotografie zu sehen ist, ist eine dünne sichtbare Schicht über etwas viel Masseiverem, das überhaupt kein Licht abgibt.
Der Hinweis, der dies aufdeckte, kam nicht aus Licht, sondern aus Bewegung. In den 1970er Jahren fand die Astronomin Vera Rubin eine Diskrepanz zwischen der beobachteten Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien und der aus der sichtbaren Masse ihrer Sterne und des Gases allein vorhergesagten Geschwindigkeit. Sterne weit vom Zentrum einer Galaxie entfernt bewegten sich schneller, als die sichtbare Materie erklären konnte – genau die Art von Nichtübereinstimmung, die auf ein großes Reservoir unsichtbarer Materie hindeutet, die die Galaxie zusammenhält.
Ein Sortiersystem, das Hubble nicht erfunden hat
Die meisten Galaxien werden mit der Hubble-Sequenz sortiert, einem morphologischen Klassifizierungsschema für Galaxien, das Edwin Hubble 1926 veröffentlichte. Obwohl es seinen Namen trägt, wurde es von John Henry Reynolds und Sir James Jeans erfunden; Hubble popularisierte und veröffentlichte das Schema, anstatt es zu erfinden.
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Der elliptische Zweig der Sequenz hat seine eigene interne Skala. Elliptische Galaxien werden von E0 bis E7 bewertet, nach einer Konvention, in der die Klassennummer zehn Mal die Elliptizität der Galaxie ist, gerundet auf die nächste ganze Zahl – eine fast kreisförmige Galaxie am Himmel wird als E0 gelesen, und eine abgeflachte, längliche wird als E7 gelesen.
Zwischen dem elliptischen Zweig und den beiden spiralförmigen Zweigen des klassischen Stimmgabel-Diagramms sitzt eine dritte Gruppe. In der Mitte der Hubble-Stimmgabel, wo sich die beiden spiral-Galaxie-Zweige und der elliptische Zweig treffen, liegt eine Zwischenklasse von Galaxien, die als Linsenförmige bekannt ist und mit dem Symbol S0 bezeichnet wird – weder eindeutig elliptisch noch eindeutig spiralförmig, sondern eine Form dazwischen.
Die größten Formen im kosmischen Zoo
Elliptische Galaxien produzieren auch die größten bekannten Galaxien. Die größten Galaxien sind Superriesen-Elliptische, auch Typ-cD-Galaxien genannt – eine separate Bezeichnung von der gewöhnlichen elliptischen Klasse, reserviert für die wahren Riesen.
Selbst wenn man die Superriesen-Klasse beiseite lässt, decken gewöhnliche elliptische Galaxien allein eine riesige Spanne ab: Sie variieren stark in Größe und Masse, mit Durchmessern von 3.000 Lichtjahren bis über 700.000 Lichtjahren und Massen von 10^5 bis fast 10^13 Sonnenmassen. Diese obere Ende der Spanne ist über 200-mal breiter als das untere Ende.
Eine elliptische Galaxie errang einen anderen Rekord. M87 (NGC 4486) beherbergt das supermassive schwarze Loch, das zum ersten schwarzen Loch wurde, das jemals fotografiert wurde, vom Event Horizon Telescope – eine bereits für ihre Größe bemerkenswerte Galaxie zur Quelle des ersten direkten Bildes eines schwarzen Loches Schattens machend.
Wenn sich der Kern einer Galaxie aufhellt
Nicht jeder galaktische Kern sitzt still. Einige leuchten vor Strahlung, und die extremsten Fälle sind Quasare. Entfernungen unter bekannten Quasaren variieren enorm: Der nächste bekannte Quasar, Markarian 231, ist etwa 581 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, während andere so weit wie UHZ1, etwa 13,2 Milliarden Lichtjahre entfernt, entdeckt wurden – eine Lücke von mehr als zweiundzwanzig Mal der Entfernung.
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Radiowellen enthüllen eine andere Art von extremer Galaxie. Alcyoneus ist eine Funkgalaxie mit der größten beobachteten Funkemission aller bekannten Galaxien, deren Lappige Strukturen 5 Megaparsec spannen, oder 16×10^6 Lichtjahre. Zum Vergleich: Eine weitere ähnlich große Funkgalaxie ist 3C 236, mit Lappen 15 Millionen Lichtjahre breit – das bedeutet, dass Alcyoneus' Funklappen allein weiter spannen als viele ganze Galaxienhaufen.
In Milliarden zusammengebunden
Galaxien existieren selten isoliert; die meisten gehören zu größeren Strukturen, die von Schwerkraft zusammengehalten werden. Ein Galaxienhaufen enthält typischerweise 100 bis 1.000 Galaxien, heißes Röntgenstrahlung emittierendes Gas und große Mengen an dunkler Materie, mit Gesamtmassen von 10^14 bis 10^15 Sonnenmassen und Durchmessern von 1 bis 5 Megaparsec.
Jahrzehntelang hielten Cluster den Titel der größten Dinge im Universum: Sie galten bis in die 1980er Jahre als die größten bekannten Strukturen im Universum, als Superhaufen entdeckt wurden und sie vom ersten Platz verdrängten.
Das Gas, das einen Cluster füllt, ist alles andere als kalt. Das erhitzte Gas des intracluster-Mediums hat eine Spitzentemperatur zwischen 30 und 100 Millionen Grad Celsius – heiß genug, um in Röntgenstrahlen zu leuchten, was ist, wie Astronomen viel davon überhaupt erst entdecken.
Die am weitesten entfernte Galaxie im Rekord
Distanzrekorde in der Astronomie sind kurzlebig, und GN-z11 ist ein gutes Beispiel dafür, warum. Entdeckt mit dem Hubble-Weltraumteleskop und in einer Veröffentlichung von 2016 angekündigt, hielt GN-z11 den Titel der ältesten und am weitesten entfernten Galaxie, die bisher im beobachtbaren Universum identifiziert wurde, mit einer spektroskopischen Rotverschiebung von z = 10,957, die einer angemessenen Entfernung von ungefähr 32 Milliarden Lichtjahren entspricht – bis das James Webb Space Telescope JADES-GS-z13-0 im Jahr 2022 fand und den Rekord übernahm.
Diese sechsjährige Herrschaft ist eine Erinnerung an das gleiche Muster, das in den Schätzungen der Galaxienzahl zu sehen ist: Jede Generation von Teleskopen drückt die bekannten Ränder des Universums weiter hinaus, und der aktuelle Rekordhalter ist nur jemals die am weitesten entfernte Galaxie, die bisher jemand gefunden hat, nicht unbedingt die entfernteste, die existiert.