Die Andromeda- Galaxie

Beschreibung
Das Zentralgebiet
Rotation
Halo
Begleiter

Beschreibung

Nahe dem Stern Gamma des Sternbilds Andromeda kann man das mit 2,5 Millionen Lichtjahren am weitesten von uns entfernte Objekt erblicken, welches sich noch mit bloßem Auge erkennen lässt, die Andromeda- Galaxie.

Aus nebenstehender kleiner Sternkarte ist die Lage der Andromeda- Galaxie ersichtlich. Sie trägt die Bezeichnung M 31 des Messier- Kataloges bzw. NGC 224 (New General Catalogue). Angedeutet sind auch ihre beiden größten Begleitgalaxien M 32 und NGC 205. Die Andromeda- Galaxie ist eine Spiralgalaxie vom Typ Sb und unterscheidet sich damit deutlich von der Milchstraße. Leider können wir sie nur verzerrt sehen, denn sie ist um 13° gegen unsere Sichtlinie geneigt. Man kennt diese Galaxie auch als Andromeda- Nebel, was geschichtlichen Ursprung hat. Aufgrund ihres verwaschenen Aussehens und ihrer unbekannten Natur wurden die Spiralgalaxien als Spiralnebel bezeichnet und man glaubte lange Zeit, sie seien Bestandteile der Milchstraße. Überhaupt war man früher der Überzeugung, das gesamte Universum bestehe lediglich aus der Galaxis!

Anmerkung:An dieser Stelle nochmals ein Hinweis: Eine Galaxie ist die allgemeine Bezeichnung für ein Sternsystem, der Ausdruck Andromeda- Galaxie ist also korrekt. Bezeichnet man sie jedoch als Andromeda- Galaxis, so ist das falsch. Als Galaxis bezeichnet man einzig und allein unser Milchstraßensystem.

Doch im Jahre 1923 konnte Edwin HubbleAmerikanischer Astronom, entdeckte die Hubble- Konstante, erkannte, dass M 31 außerhalb der Milchstraße liegt und entwickelte die die Hubble-Sequenz, eine Einteilung der Galaxien. (1898- 1953) in den äußeren Spiralarmen Einzelsterne vom Typ der Cepheiden auflösen und damit die Entfernung zu 900 000 Lichtjahren angeben. Cepheiden sind Veränderliche Sterne, die ihre Helligkeit mit einer hochgenauen Periode wechseln und damit als so genannte Standardkerze zur Entfernungsbestimmung dienen. Nun war erstmals klar, dass die Andromeda- Galaxie nicht zur Milchstraße gehören konnte und das Universum viel größer als bislang gedacht sein musste. 1944 konnte Walter Baade (1893- 1960) auch in den inneren Bereichen Einzelsterne auflösen. Er konnte in der Galaxie Cepheiden, Novae, Riesensterne, Kugelsternhaufen und Interstellare Materie nachweisen. 1952 schließlich erkannte er, dass Hubble einer falschen Klasse von Cepheiden aufgesessen war und korrigierte die Entfernung auf 2 Millionen Lichtjahre. Neueren Messungen zufolge beträgt die Distanz zu uns 2,52 Millionen Lichtjahre.

Andromeda- Galaxie
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Betrachtet man die Galaxie, erkennt man deutlich den großen Anteil Interstellarer Materie in den Spiralarmen. Hier liegen die Kinderstuben vieler junger Sterne. Die Zone der Interstellaren Materie ist nur wenige 100 [pc] dick und um die Hauptebene des Systems angeordnet. In den äußeren Randzonen sind keine Staubwolken ersichtlich. Während man früher glaubte, die Andromeda- Galaxie sei die "kleine Schwester" der Milchstraße, so wissen wir heute, dass sie mit einem Durchmesser von 150 000 Lichtjahren, ja neueren Messungen zufolge (Raja Guhathakurta, University of California) sogar von 200 000 Lichtjahren viel größer ist (Galaxis: 100 000 [ly]). Auch die unterschiedliche Anzahl von Sternen macht den Größenunterschied deutlich: Unsere Milchstraße kann mit etwa 300 Milliarden Exemplaren aufwarten, der Andromedanebel besteht aber aus bis zu 1 Billion Sterne.

Durch Anklicken des Bildes öffnet sich eine fantastische Großansicht.

Mein besonderer Dank gilt Robert Gendler für die Genehmigung zur Verwendung dieser (Copyright- geschützten!) Aufnahme

Weil man die Andromeda- Galaxie gut mit bloßem Auge erspähen kann (visuelle Helligkeit +3,5^m), dürfte sie schon seit der menschlichen Frühgeschichte beobachtet worden sein. Erstmals erwähnt wird sie jedoch im Jahr 905 von einem persischen Astronomen (Al-Sufi). Was sich mit unbewaffnetem Auge erspähen lässt ist lediglich das hell leuchtende Zentralgebiet der Galaxie. In Wirklichkeit erstreckt sie sich über ein Gebiet von 180 Bogenminuten, das ist die sechsfache Ausdehnung des Vollmondes!

Das Zentralgebiet

Das Zentralgebiet der Andromeda- Galaxie besteht aus einem klein erscheinenden, sternartigen Kern. Dieses Gebiet lässt sich nicht in Einzelsterne auflösen, man weiß aber heute, dass wie in unserer Milchstraße im Zentrum der Galaxie ein Schwarzes Loch sein "Unwesen" treibt, hier allerdings ein "Schwergewicht" von 140 Millionen Sonnenmassen (!) (Quelle: John Kormendy und Teams von Alan Dressler und Douglas Richstone; Hubble Site), mehr als 3 Mal so schwer wie bislang geglaubt.

Der Kern (nucleus) von M 31 ist sogar seltsamerweise ein doppelter. Das zeigt uns diese Aufnahme des Hubble- Teleskops von 1991. Das dargestellte Gebiet umfasst gerade 30 Lichtjahre und man glaubte zunächst, dass sich dort zwei Schwarze Löcher umkreisen. Das ist heute jedoch nicht mehr haltbar. Es gibt zwei Szenarien, die man zur Erklärung des doppelten Kerns heranziehen kann. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Andromeda- Galaxie vor langer Zeit mit einer anderen verschmolz und sich deren Materie einverleibte, wobei sie auch das Zentralgebiet einfing. Ebenso könnten jedoch auch Gas- und Staubwolken die Sicht etwas verschleiern und auf diese Weise einen doppelten Kern vortäuschen. Von der Erde aus war nur der hellere Teil zu erkennen und man hielt ihn für das galaktische Zentrum. Aus den Untersuchungen des Hubble- Weltraumteleskops geht jedoch hervor, dass sich das Zentrum in der lichtschwächeren Zone befindet.

Mit freundlicher Genehmigung von T. R. Lauer (KPNO/NOAO) et al., HST

Mit dem Hubble- Teleskop wurde jedoch noch mehr entdeckt. So fand man einen merkwürdigen blauen Lichtschein, der das massereiche Schwarze Loch im Zentrum umgibt.

Blauer und Roter Ring
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Nach über einem Jahrzehnt intensiver Forschung und Beobachtung mit dem Spektrografen an Bord des Teleskops fand man heraus, dass mehr als 400 junge, damit heiße und bläulich strahlende Sterne das Schwarze Loch umrunden. Sie müssen vor etwa 200 Millionen Jahren entstanden sein und umgeben das Schwarze Loch in einer Scheibe von gerade einem Lichtjahr Durchmesser. Nach dem Doppler- Effekt wird Licht energiereicher, wenn es auf uns zu kommt und energieärmer, wenn sich die Quelle entfernt. Aus den daraus resultierenden Verschiebungen der Spektrallinien in den blauen bzw. roten Bereich des Spektrums konnte man somit die Geschwindigkeiten dieser Sterne bestimmen. Sie umrunden das Loch mit 1000 [km/s], das sind stolze 3,6 Millionen [km/h]! Mit diesem Tempo würde einer dieser Sterne die Erde in 40 Sekunden umkreisen und bis zum Mond gerade mal 6 Minuten benötigen. Einen Umlauf schaffen sie in 100 Jahren. Es ist völlig unbekannt, durch welchen Mechanismus die Sternenscheibe entstand. Sterne entstehen ja aus interstellaren Gas- und Staubwolken, wenn aber das Gas mit derartigen Geschwindigkeiten um das Schwarze Loch wirbelt, ist die Sternbildung kaum vorstellbar. Aber die Sterne sind nun mal da! Weil sie massereich und damit kurzlebig sind ist es nicht auszuschließen, dass schon öfter in der über 12 Milliarden Jahre alten Geschichte Andromedas ein Sternenring entstand und das auch in Zukunft wiederholt wird. Diese Scheibe aus blauen Sternen ist eingebettet in einen Ring aus älteren und damit rötlich erscheinenden Sternen, der schon aus früheren Hubble- Beobachtungen bekannt war.

Für eine detailreichere Großansicht dieser künstlerischen Darstellung einfach auf das Bild klicken.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA, STScI

Eine andere Sicht des Zentrums der Andromeda- Galaxie zeigt uns diese Aufnahme, die das Chandra- Röntgenteleskop machte. Es zeigt viele einzelne Röntgenquellen, darunter auch das absolute Zentrum, etwa in der Mitte mit dem kleinen blauen Fleck. In dieser Zone befindet sich das superschwere Schwarze Loch. Seltsamerweise ist diese Röntgenquelle mit "nur" 1 Million [K] relativ kühl, man sollte hier aufgrund der Größe des Schwarzen Lochs die zehnfache Temperatur erwarten. Eine Erklärung dafür hat man aber auch noch nicht. So stellt uns unsere Nachbargalaxie vor immer neue Rätsel und Fragen, deren Lösung noch lange nicht in Sichtweite sind.
Mit freundlicher Genehmigung S. Murray, M. Garcia, et al., (CfA) SAO, CXO, NASA

Rotation

Wie in unserer Milchstraße, herrscht auch in der Andromeda- Galaxie eine so genannte differenzielle Rotation vor. Das bedeutet, dass die Galaxie nicht wie ein starrer Körper rotiert, sondern die verschiedenen Gebiete unterschiedliche Umlaufgeschwindigkeiten um den Kern aufweisen.

Vom Zentrum bis zu etwa 5 [pc] Abstand steigt sie recht gleichmäßig auf etwa 60 [km/s] an. Geht man weiter nach außen, fällt sie aber wieder ab, und zwar bei einem Abstand von 20 [pc] vom Zentrum bis fast auf 0. Nun steigt die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne bis zu einem Zentrumsabstand von 400 [pc] wieder an, und zwar bis auf 225 [km/s]. Hiernach verringert sich die Geschwindigkeit wieder stetig mit größer werdendem Abstand, ein Minimum liegt dann wieder bei etwa 2 [kpc]. Ein Geschwindigkeitsmaximum von 270 [km/s] findet sich bei etwa 10 [kpc] Zentrumsentfernung. Bei einer Distanz von 9 [kpc], was etwa der Entfernung der Sonne vom Milchstraßenzentrum entspricht, beträgt die Umlaufgeschwindigkeit 225 [km/s]. Dies entspricht der Sonnengeschwindigkeit, ein Stern in diesem Abstand benötigt demzufolge ebenfalls 220 Millionen Jahre für einen Umlauf um das Zentrum der Andromeda- Galaxie.
Die kleine Skizze verdeutlicht die Rotationsverhältnisse.
Zum Rand der Galaxie hin sinkt die Rotationsgeschwindigkeit nun langsam ab, bleibt aber ab rund 20 [kpc] Abstand bis zum äußeren Rand konstant bei 220 [km/s].

Aus den Rotationsverhältnissen der Galaxie kann man nun auf die Massenverteilung schließen. Dabei kommt man heute zu dem Ergebnis, dass im Kern eine Masse von etwa 10⁷ Sonnenmassen konzentriert ist. Im Zentrum, bis zu einem Abstand vom Mittelpunkt von 2 [pc], rechnet man mit 6 · 10⁹ Sonnenmassen, bei 25 [pc] werden es 2 · 10¹¹ sein. Wie in unserer Milchstraße, sinkt die Rotationsgeschwindigkeit bis etwa 30 [kpc] nicht ab, weshalb man davon ausgehen kann, dass auch in den Randzonen hohe Massekonzentrationen vorhanden sein müssen. Die Gesamtmasse der Andromeda- Galaxie wird auf rund 1,2 bis 3,7 · 10¹¹ Sonnenmassen geschätzt, 1% davon entfällt auf Interstellare Materie.

Halo

Das Hubble- Weltraumteleskop hat uns in seiner langen Betriebszeit viele neue Erkenntnisse ermöglicht, so auch über die Andromeda- Galaxie. Wie in diesem Bild zu sehen, hat es einen wunderschönen Kugelsternhaufen entdeckt (Bezeichnung: G1), welcher das Zentrum der Galaxie umkreist. Es ist der hellste bislang bekannte Kugelhaufen in der Lokalen Gruppe und enthält mehr als 300 000 Sterne. Diese Sterne sind so alt wie die in den Kugelhaufen unserer Milchstraße und gehören damit zu den ältesten Objekten des Universums. Wie in der Milchstraße gehören die Kugelsternhaufen zu den Halo- Objekten der Andromeda- Galaxie, ihre Zahl wird auf 400 bis 500 geschätzt. Ein Halo ist ein kugelförmig eine Galaxie umgebender Raum, in welchem sich neben der Kugelsternhaufen auch Einzelsterne aufhalten. Im Falle der Andromeda- Galaxie hat dieses Gebilde einen Durchmesser von 1 Million Lichtjahren, womit sie das größte Objekt in der Lokalen Gruppe, unserem "heimischen" Galaxienhaufen, ist.

Mit freundlicher Genehmigung von Michael Rich, Kenneth Mighell, and James D. Neill (Columbia University), and Wendy Freedman (Carnegie Observatories), Hubble Space Telescope, and NASA

Nicht nur Kugelsternhaufen befinden sich im Halo der Andromedagalaxie, sondern wie auch im Halo der Milchstraße Einzelsterne. Wiederum mit dem HST (Hubble Space Telescope) wurde Erstaunliches zu Tage befördert: Basierend auf HDF- (Hubble Deep Field) Aufnahmen bestimmten Astronomen das Alter der Sterne im Halo.

Halo- Objekte
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Etwa ein Drittel der Sterne weisen ein Alter von nur 6 bis 8 Milliarden Jahren auf, viel weniger als die 11 bis 12 Milliarden Jahre alten Sterne des Milchstraßenhalos. Wie ist dieser Unterschied zu erklären? Nun, die Andromedagalaxie könnte vor Milliarden Jahren eine Fusion mit einer anderen, größeren Galaxie eingegangen sein, oder sie hatte sich mehrere kleinere Galaxien einverleibt. Jedenfalls weisen diese relativ jungen Sterne einen höheren Gehalt an schweren Elementen auf (ihre Metallizität ist größer) als die Sterne in unserem Halo. Die Verteilung der chemischen Elemente ist dabei charakteristisch für Sterne aus großen, massereichen Galaxien. So ergeben sich drei Möglichkeiten wie die jungen Sterne in den Halo kamen:

Kollisionen zerstörten die junge Scheibe der Andromedagalaxie und beförderten Scheibensterne in den Halo
Eine einzige Kollision mit einer eindringenden Galaxie zerstörte sie selbst und Sterne von ihr und M31 wurden in den Halo geschleudert
Die Sterne wurden während bzw. durch die Kollision direkt an Ort und Stelle gebildet

Leider lassen sich nicht alle Sterne in Andromedas Halo untersuchen, lediglich die massereichen Riesensterne können noch abgelichtet werden. Immerhin schätzt man deren Zahl auf etwa 300 000. "Normalschwere" Sterne wie unsere Sonne sind in dieser Distanz viel zu lichtschwach. Was aber noch zu sehen ist in dieser Hubble- Aufnahme sind Tausende von Hintergrundgalaxien, bis herunter zu einer Helligkeit von 31^m. Viele dieser Galaxien sind in Kollisionen verwickelt was uns deutlich zeigt, dass wir in einem dynamischen, sich ständig verändernden Universum leben. Eine Großansicht weiterer Details erhält man durch Anklicken des Bildes.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA, ESA und T.M. Brown (STScI)

Halo Andromeda- Galaxie, Bild anklicken für Großansicht

Unter Zuhilfenahme des Hubble- Teleskops konnten nun (Mai 2015) völlig neue Erkenntnisse über den Halo der Andromedagalaxie gewonnen werden. Demnach ist seine Ausdehnung um den Faktor 6 größer und seine Masse tausendfach höher als bisher gedacht. Überwiegend besteht der Halo aus sehr dünnem Gas und ist eigentlich unsichtbar. Würde er leuchten, so nähme er am Nachthimmel den hundertfachen Monddurchmesser in Anspruch. "Sehen" konnte ihn das Wissenschaftsteam, indem sie das Licht ferner Quasare im UV- Bereich analysierten. Durchläuft das Licht den Halo, so wird es in definierten Frequenzbereichen abgeschwächt.

Aus Simulationen geht hervor, dass ein Halo gleichzeitig mit der Galaxie entsteht und zunächst nur Wasserstoff und Helium enthält. Im Laufe der Jahrmilliarden wird er mit schwereren Elementen, die von Supernovae ausgestoßen wurden, angereichert. Auch bei anderen Galaxien wurden schon Halos beobachtet, doch dass sich derjenige der Andromeda über 1 Million Lichtjahre erstreckt ist erstaunlich - er kommt quasi der Milchstraße auf halbem Weg entgegen. Ob unsere Galaxie auch einen solch immensen Halo hat wissen wir nicht, wir sehen ja sozusagen den Wald vor lauter Bämen nicht. Vielleicht aber haben beide Halos bereits Kontakt. Falls noch nicht, so ist es doch unvermeidlich...

Mit freundlicher Genehmigung von Hubble Space Telescope, NASA, Space Telescope Science Institute

Unsere Milchstraße und die Andromeda- Galaxie stellen die größten Galaxien in der Lokalen Gruppe dar, also dem zugehörigen Galaxienhaufen. Sie stellen aber nicht nur aus diesem Grund etwas Besonderes dar, denn die Andromeda- Galaxie nähert sich unserem System mit etwa 300 [km/s], und zwar wahrscheinlich mit zunehmender Geschwindigkeit. Es ist somit nicht zu verhindern, dass unsere beiden Galaxien in rund 2 Milliarden Jahren beginnen werden miteinander zu verschmelzen. Nun darf man sich allerdings eine Galaxienkollision nicht wie einen harten Zusammenprall vorstellen. Die einzelnen Sterne sind so weit voneinander entfernt, dass es kaum zu Berührungen kommen wird. Lediglich in den Zentren mit ihren hohen Sterndichten wird das öfter geschehen. Ob es dann aber noch Menschen gibt, die dieses sicher grandiose Schauspiel beobachten können ist trotzdem fraglich, betrachtet man die derzeitige Entwicklung der Menschheit mit all ihren selbstgemachten Problemen. Von einem noch intakten, bewohnbaren Planeten wird man aber beobachten können, wie sich zunächst das Band der Milchstraße auflöst, um einem mit Milliarden von Sternen übersäten Himmel zu weichen. Aus beiden Galaxien wird sich in 5 Milliarden Jahren eine elliptische Riesengalaxie gebildet haben, die Erde wird in den Außenbereich verdrängt und wird 100 000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt sein (nach Simulationen von Thomas Cox und Avi Loeb, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge). Das wird dann aber garantiert niemand mehr auf der Erde beobachten, denn die dann zum Roten Riesen mutierende Sonne wird inzwischen alles Leben auf unserem Planeten ausgelöscht haben.

Begleiter

Ebenso wie unsere Milchstraße wird auch die Andromeda- Galaxie von weiteren Galaxien begleitet, man weiß heute von insgesamt 14. Die bekanntesten sind M 32 und M 110 (=NGC 205).

Diese Abbildung zeigt die elliptische Begleitgalaxie M 32. Sie ist eine elliptische Zwerggalaxie, die aber vermutlich einst viel größer war. Es ist anzunehmen, dass sie in der Vergangenheit noch als Spiralgalaxie eine intensive "Beziehung" zur Andromeda- Galaxie hatte, was bei M 32 zum Verlust der Sternscheibe führte, aber gleichzeitig die Sternentstehung im Zentralgebiet sprunghaft ansteigen ließ.

Mit freundlicher Genehmigung des 1.1 Meter Hall Telescope, Lowell Observatory, Bill Keel (U. Alabama)

In einer Reihe von neuen Aufnahmen des Spitzer- Teleskops im IR- Licht konnten Astronomen die ziemlich bewegte Vergangenheit der Andromeda- Galaxie nachweisen. Sie fanden heraus, dass die Begleitgalaxie M 32 vor einigen Millionen Jahren durch einen der beiden Spiralarme wanderte. Dabei entstand eine Lücke im Arm und die Sternentstehungsgebiete wurden bogenförmig weggedrängt. Man erkennt diesen Bogen rechts unten im Bild.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech/K. Gordon (University of Arizona)

Als weiteres Beispiel der Begleiter sehen wir uns noch die Galaxie M 110 an, ebenfalls eine elliptische Zwerggalaxie. In ihrem Halo entdeckte man 8 Kugelsternhaufen, ihre Gesamtmasse wird auf nur 3,6 bis 15 Milliarden Sonnenmassen geschätzt. Sie ist neben M 32 die zweite hellere Begleiterin von M 31.

Hier noch eine tabellarische Übersicht aller bekannten Begleiter (entnommen aus http://en.wikipedia.org):

Name	Typ	Entfernung (Millionen [ly])	Helligkeit	Entdeckungs- Jahr
M32	dE2	2.48	+9^m2	1749
M110	dE6	2.69	+9^m4	1773
NGC 185	dE5	2.01	+11^m	1787
NGC 147	dE5	2.2	+12^m	1829
Andromeda I	dSph	2.43	+13^m2	1970
Andromeda II	dSph	2.13	+13^m	1970
Andromeda III	dSph	2.44	+10^m3	1970
Andromeda IV ^*	dIm?			1972
Andromeda V	dSph	2.52	+15^m4	1998
Pegasus Dwarf (Andromeda VI)	dSph	2.55	+14^m5	1998
Cassiopeia Dwarf (Andromeda VII)	dSph	2.49		1998
Andromeda VIII	dSph	2.7	+9^m1	2003
Andromeda IX	dSph	2.5	+16^m2	2004
Andromeda X	dSph	2.9	+16^m2	2005
Triangel Galaxie (M33)	SA(s)cd	2.59	+6^m27	1654?

^*Ob eine Begleitgalaxie, ist noch unsicher; d, dwarf = Zwerg

Mit freundlicher Genehmigung von 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

Weitere Informationen:
http://en.wikipedia.org/wiki/Andromeda_Galaxy

http://www.solstation.com/x-objects/andromeda.htm