Zwei Balkenspiralgalaxien, bekannt als NGC 7733 und NGC 7734, sind dabei, zu verschmelzen. Die untere Galaxie hat einen staubigen Knoten auf ihrem oberen Arm, der einen dritten galaktischen Begleiter markiert (Bildnachweis: ESA/Hubble & NASA, J. Dalcanton, Dark Energy Survey/DOE/FNAL/NOIRLab/NSF/AURA; Danksagung: L. Shatz)
Wir stellen uns Galaxien als uralt vor. Unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, entstand vor 13,6 Milliarden Jahren, und das James-Webb-Weltraumteleskop hat es uns ermöglicht, zu einigen der ersten Galaxien im frühen Universum zurückzublicken. Aber werden heute noch Galaxien geboren?
Diese Frage macht Spaß, weil sie uns einen Einblick in den chaotischen, komplizierten und wunderschönen Prozess der Galaxienbildung gibt. Werfen wir einen Blick auf die Möglichkeiten.
Erste Antwort: Nein
Galaxien sind ziemlich einfach zu identifizieren. Sie sind große Ansammlungen von Sternen, Gas und dunkler Materie. Sie sind weitgehend voneinander getrennt; eine typische Galaxie hat einen Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren, während der typische Abstand zwischen Galaxien etwa 1 Million Lichtjahre beträgt.
Manchmal verschmelzen oder verklumpen Galaxien in Galaxienhaufen, aber bis auf wenige Ausnahmen können wir eine Galaxie weitgehend von einer anderen trennen. Sie sind wie Städte auf dem Lande: Der Abstand zwischen den Städten ist größer als die Städte selbst, so dass sie leicht zu erkennen und zu definieren sind. Manchmal stoßen die Städte aneinander, und manchmal verschlingt eine sich ausbreitende Stadt ihre Nachbarn. Aber im Großen und Ganzen ist eine Stadt einfach eine Stadt.
Den Beginn einer Galaxie zu definieren, ist jedoch eine andere Sache. Galaxien entstanden im frühen Universum in einem allmählichen Prozess, der bereits in der ersten Sekunde des Urknalls begann. Damals bildeten sich winzige Bereiche mit überdurchschnittlicher Dichte, die in den nächsten Hunderten von Millionen Jahren stetig wuchsen. Zunächst konnte nur die dunkle Materie einströmen, da die normale Materie damit beschäftigt war, sich in sich selbst zu verheddern. Doch als die Taschen der dunklen Materie groß genug waren, zogen sie die umgebende normale Materie an.
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Als sich die reguläre Materie ansammelte, verdichtete sie sich, zersplitterte und brachte die ersten Sterne zum Leuchten. Diese Protogalaxien verbrauchten dann mehr Gas, verschmolzen mit ihren Nachbarn und wuchsen zu den voll ausgebildeten Galaxien, die wir heute sehen.
In vielerlei Hinsicht entstehen heute also keine neuen Galaxien. Der Prozess ihrer Entstehung – ihre Aussaat in Form von winzigen Dichteunterschieden oder der anfänglichen Ansammlung dunkler Materie – ist vorbei, ein Vorgang, der im alten Kosmos stattfand und nie wieder stattfindet. Im heutigen Universum gibt es keine Protogalaxien mehr – keine Gaswolken, die nur darauf warten, sich zu verdichten und eine neue Galaxie zu bilden.
Wenn es um Galaxien geht, ist das, was wir sehen, das, was wir bekommen.
Zweite Antwort: ja
Aber das ist nur eine Möglichkeit, den Beginn einer Galaxie zu definieren. Wir können auch einen anderen entscheidenden Schritt betrachten: das Auftauchen der ersten Sterne. Um auf die Analogie mit der Stadt zurückzukommen: Es gibt einen Unterschied zwischen dem Zeitpunkt, an dem eine Stadt zum ersten Mal geplant wird – ihre Umrisse werden mit Grenzmarkierungen und Vermessungslinien festgelegt – und dem Zeitpunkt, an dem die ersten Menschen einziehen.
Wenn wir uns nur auf die Sternentstehung konzentrieren, sehen wir, dass es sich um einen fortlaufenden Prozess handelt, der sogar bis ins heutige Universum reicht. In den letzten Jahren haben die Astronomen ein detailliertes Verständnis für ein Maß entwickelt, das als stellare Massenfunktion bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine grundlegende demografische Zählung, die aufzeigt, wie viele Sterne in jeder Galaxie leuchten – oder anders ausgedrückt, wie viel Masse in Form von Sternen in jeder Galaxie zu verschiedenen Epochen des Universums vorhanden ist.
Sterne machen nur einen winzigen Teil der Masse einer Galaxie aus; der Rest entfällt auf dunkle Materie und zufällige Gasklumpen. Dennoch machen die Sterne eine Galaxie zu dem, was sie ist, und sie sind viel leichter zu beobachten als jede andere galaktische Komponente.
Mit neuen Durchmusterungen von Galaxien im gesamten Universum haben Astronomen kürzlich entdeckt, dass die stellare Massenfunktion überall zunimmt. Das bedeutet, dass es mehr kleine, mittelgroße und große Galaxien gibt als noch vor Milliarden von Jahren.
Die neuen kleinen Galaxien entstehen nicht durch die Entstehung von Protogalaxien in Samen aus dunkler Materie; es handelt sich um bereits existierende Materialklumpen, die gerade mit der Sternbildung beginnen. Die größeren Galaxien hingegen werden hauptsächlich durch die fortgesetzte Verschmelzung kleinerer Galaxien angetrieben.
Es wird nicht ewig dauern
Zumindest in einer wichtigen Hinsicht tauchen also immer wieder neue Galaxien auf der kosmischen Szene auf, wenn sie mit neuen Sternbildungsrunden aufleuchten. Sie waren schon immer da, seit Milliarden von Jahren, aber sie werden erst jetzt sichtbar. Dieser Prozess ist machbar, weil die Sternentstehung unglaublich ineffizient ist. Der größte Teil des Gases in einer Galaxie wird sich nie in Sterne verwandeln, und der Prozess kann über sehr lange Zeiträume hinweg ablaufen, ohne viel Material zu verbrauchen – und es kann sehr lange dauern, bis eine Galaxie überhaupt in Gang kommt.
Aber leider wird die Party nicht ewig dauern. Das Problem ist, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern seine Ausdehnung auch noch beschleunigt – ein Effekt, der als dunkle Energie bekannt ist. Obwohl die Astronomen immer noch nicht verstehen, was die dunkle Energie antreibt, können sie ihre Auswirkungen auf den Rest des Universums beobachten: Es breitet sich alles aus.
Mit zunehmendem Alter des Universums wird es für das Material immer schwieriger, sich zu verklumpen, um neue Galaxien zu bilden und die Sternbildung voranzutreiben. Tatsächlich ist der Höhepunkt der Sternentstehung schon vor Milliarden von Jahren überschritten worden. Zwar leuchten weiterhin neue Galaxien auf, aber die Entstehungsrate verlangsamt sich, und jedes Jahr entstehen immer weniger neue Galaxien.
Wir haben noch viel Zeit – die Galaxien werden noch Hunderte Milliarden Jahre lang Sterne bilden – aber wir sollten die Party genießen, solange sie noch andauert.
