Telegramm 18: Die Evolution der Galaxien

Der Astronom Edwin Hubble, der Entdecker der Expansion des Universums,  entwickelte auch ein System zur Klassifizierung von Galaxien. Er ordnete sie nach ihrem optischen Erscheinungsbild in einem Diagramm, das die Form einer Stimmgabel hat. Den Griff der Stimmgabel bilden die elliptischen Galaxien, die rund oder eher langgestreckt erscheinen (E0-E7). An der Verzweigungsstelle zu den Zinken mit den Spiralgalaxien ist eine flache Scheibe (S0), sozusagen eine Spirale ohne Spiralarme. Die Spiralgalaxien unterteilten sich in gewöhnliche Spiralen (S)  und Balkenspiralen (Sb), die sich jeweils in der Ausprägung des Kernbereichs und der Spiralarme unterscheiden (Sa-Sc, SBa-SBc). Außerhalb des eigentlichen Stimmgabeldiagramms ordnete Hubble die irregulären Galaxien ein, bei denen es sich um Sternansammlung ohne erkennbare Ordnungsstruktur handelt.

Hubble´s Stimmgabel-Diagramm zur Klassifizierung der Galaxien. Quelle: Wikipedia

Ein Gruppe europäischer Astronomen erstellte Stimmgabeldiagramme naher und ferner Galaxien. Wegen der konstanten Lichtgeschwindigkeit sehen wir ferne Galaxien so wie sie früher einmal waren, während wir nahe Galaxien in etwa dem heutigen Zustand erblicken, wobei ein paar Millionen Jahre hier ohne Bedeutung sind.

In ihre Untersuchung nahmen die Wissenschaftler 116 nahe und 148 ferne Galaxien auf. Letztere zeigten das Universum von vor 6 Milliarden Jahren.

Überraschenderweise wiesen die Stimmgabeldiagramme beider Galaxiengruppen beträchtliche Unterschiede auf:

Vor 6 Milliarden Jahren gab es wesentlich mehr irreguläre Galaxien als heute. Umgekehrt war der Anteil an Spiralgalaxien damals deutlich geringer. Innerhalb der letzten 6 Milliarden Jahre müssen sich also viele irreguläre Galaxien in Spiralgalaxien verwandelt haben, so die einzig mögliche Schlußfolgerung. Das ist aber nur möglich, wenn Galaxien zusammenstoßen und dabei verschmelzen.

Galaxienverteilung früher und heute. Quelle: Hubble/ESA

Bisher dachte die meisten Astronomen, daß die Anzahl der Galaxienkollisionen schon vor 8 Milliarden deutlich abgenommen hat. Das kann so nicht stimmen. Vielmehr ist davon auszugehen, daß es mindestens noch bis vor 4 Milliarden Jahren in unserem Universum recht turbulent zuging.

Auch die Annahme, daß bei der Verschmelzung zwei oder mehrerer Galaxien sehr häufig elliptische Galaxien entstehen, ist nun kaum noch haltbar, denn entgegen den Erwartungen sieht man in den beiden Stimmgabeldiagrammen keine nenenswerten Veränderungen in der Häufigkeit der elliptischen Galaxien.

Die ursprüngliche Annahme stützte sich auf die Beobachtung, daß elliptische Galaxien nur wenig Gas enthalten, mit der Folge einer sehr geringen Sternentstehungsrate. Bei der Kollision von Galaxien würde es dann durch die Gezeitenkräfte zu einem enormen Anstieg der Sternentstehungsrate kommen, so meinte man. Durch diesen vor allem im Zentrum stattfindenden Sternentstehungsausbruch werde nahezu alles Gas weggeblasen und übrig bliebe häufig eine elliptische Galaxie.

Die Wissenschaftler haben aufgrund der neuen Ergebnisse jetzt eine neue Theorie. Sie vermuten, daß immer dann Spiralgalaxien aufgebaut werden, wenn die verschmelzenden irregulären Galaxien viel interstellares Gas enthalten, was in einem erheblich jüngeren Universum wohl auch zumeist der Fall war.

Diese Theorie deckt sich vielleicht auch mit dem jüngsten Befund, daß unsere Milchstraße, eine Spiralgalaxie(!), im Laufe ihres Lebens mehrere Zwerggalaxien verschluckt und dadurch erst ihre heutige Gestalt und Größe erreicht hat. Zwerggalaxien sind aber in den meisten Fällen entweder irregulär oder elliptisch (vgl. Telegramm 15).

Quelle: http://www.spacetelescope.org/

Jens Christian Heuer

Das junge Planetensystem bei Beta Pictoris

Beta Pictoris ist ein junger, heißer Stern der Spektralklasse A im Sternbild Pictor (Maler) und fast doppelt so massereich wie die Sonne. Im Jahre 1983 entdeckte das von den USA, Großbritannien und den Niederlanden gemeinsam entwickelte Infrarotteleskop IRAS eine Gas- und Staubscheibe um den 62 Lichtjahre entfernten Stern. Ein Jahr später gelang es diese Scheibe auch direkt zu fotografieren. 

Gas- und Staubscheiben um junge Sterne, das entsprach genau der Vorhersage der gängigen Theorie über die Entstehung von Planeten bei Sternen, und nun hatte man tatsächlich so eine Scheibe gefunden.

Infrarotaufnahme der Gas- und Staubscheibe um Beta Pictoris. Quelle: IRAS-NASA 

Beta Pictoris war damit das erste in der Entstehung begriffene extrasolare Planetensystem, das jemals entdeckt wurde! 

Die  Theorie über die Planetenenstehung, welche in ihren Grundzügen schon durch den Philosophen Immanuel Kant (1724-1804) im 18. Jahrhundert (!) formuliert wurde, geht davon aus, daß  Planeten eine allgemeine Begleiterscheinung  der Sternentstehung sind:

Eine interstellare Wolke aus Gas (99%) und Staub (1%) mit einem Durchmesser von etwa einem Lichtjahr kollabiert unter dem Einfluß ihrer eigenen Schwerkraft und gerät dabei in Rotation. Wegen der Erhaltung des Drehimpulses dreht sich die Wolke immer schneller und flacht infolge der Rotation zu einer Scheibe ab. Das Zentrum verdichtet sich immer weiter bis  Dichte und Temperatur so hoch sind, daß ein Stern entsteht, in dessen Innerem energieliefernde Kernverschmelzungsprozesse starten. Der Hauptdrehimpuls verbleibt in der Gas- und Staubscheibe. Wenn sich diese sogenannte protoplanetare Scheibe langsam abkühlt, kommt es zu Kondensationsvorgängen an den vielen, als Kondensationskerne wirkenden Staubteilchen. Diese werden dadurch immer größer und sammeln sich in der Scheibenebene, sowohl unter dem Einfluß der Schwerkraft als auch wegen der Bremswirkung durch das Gas in der protoplanetaren Scheibe. Dicht gedrängt in der Scheibenebene begegnen sich die Staubteilchen immer häufiger, um aneinander haften zu bleiben. Das Wachstum der Staubteilchen beschleunigt sich dementsprechend, und es bilden sich die ersten Planetesimale mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern.

Planetenentstehung aus einer Gas- und Staubscheibe, der sogenannten protoplanetaren Scheibe.  Quelle: http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/arny/indexnew.mhtml

In Abhängigkeit von der Temperatur der Scheibe, die von innen nach außen abnimmt, kondensieren im inneren, heißen Bereich bis 0,5 AE vorwiegend metallische Teilchen, ab 1 AE Abstand überwiegen dann die Silikate, und bei 3 AE wird schließlich die sogenannte “Schneegrenze“ erreicht, wo dann auch Eisteilchen auskondensieren. 1 Astronomische Einheit (AE) entspricht dabei der Entfernung Erde - Sonne (150 Millionen km). Die Planetesimale sind bald groß genug um weitere Materie anzusammeln. Die Größeren wachsen zu Protoplaneten heran, die Kleineren stoßen aufeinander und zerfallen wieder, oder aber sie werden von den Protoplaneten weggeschleudert und bilden einen äußeren Ring, den Kuiper - Gürtel. Manche stürzen allerdings auch in den zentralen Stern. Da jenseits der “Schneegrenze“ mehr Kondensationsmaterie zur Verfügung steht als weiter innen, entstehen hier dementsprechend größere Planetesimale, welche wiederum auch mehr Material einsammeln können. Diese sehr großen Protoplaneten (bis 10 Erdmassen und mehr) ziehen auch erhebliche Mengen Gas an, wodurch die sogenannten Gasriesen (wie Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem) entstehen. Weiter innen bilden sich kleinere Protoplaneten, die Metalle (vorwiegend Eisen und Nickel) und Gestein (Silikate) einsammeln, aber kein Gas, denn das kann hier wegen der zu hohen Temperaturen nicht auskondensieren. Die noch vorhandenen kleineren Planetesimale bombardieren die felsigen Protoplaneten, die dabei so heiß werden, daß sie aufschmelzen und eine innere Differenzierung stattfinden kann. Eisen und Nickel sinken zur Mitte und bilden den Kern, die leichteren Silikate dagegen den Mantel und die Kruste (erdähnliche Planeten). Ein Teil der dann immer noch übrig gebliebenen Planetesimale bilden einen oder auch mehrere Asteroidengürtel.

Bei Beta Pictoris passt alles zu dieser Theorie. Die protoplanetare Scheibe  hat einen Radius von 400 AE (1 AE=150 Millionen km, mittlerer Abstand Erde-Sonne) und ist im inneren Bereich an mehreren Stellen verbogen. Dort sind die Staubpartikel außerdem kleiner und wärmer als woanders in der Scheibe.

Infrarotaufnahme mit den drei Bereichen (A, B und C), wo die protoplanetare Scheibe von Beta Pictoris verbogen ist. Bei A wurde inzwischen ein großer Planet gefunden. Quelle: http://keckobservatory.org/

Vermutlich gibt es hier Planeten, die mit ihrem Schwerefeld Felsbrocken an sich ziehen. Diese prallen dann vermehrt aufeinander und zerbröseln dabei zu kleinen Staubkörnern, die sich besonders schnell durch die Strahlung des Sterns erwärmen. Ein weiterer Hinweis auf Planeten ist die Entdeckung einer zweiten Scheibe, die gegenüber der Hauptscheibe um 4° geneigt ist. Diese zweite Gas- und Staubscheibe formte sich möglicherweise in der Bahnebene eines großen umlaufenden Planeten.

Zwei Gas- und Staubscheiben um Beta Pictoris. Die zweite Scheibe markiert die Umlaufbahn des inzwischen tatsächlich entdeckten großen Planeten. Quelle: http://hubblesite.org/

Inzwischen konnte tatsächlich einer der vermuteten Planeten um Beta Pictoris gefunden werden und zwar auf recht spektakuläre Weise:

Im Jahre 2003 entdeckte ein  Team französischer Astronomen um Anne-Marie Lagrange mit dem Very Large Telescope VLT (8,2m Spiegeldurchmesser) des European Southern Observatory (ESO) ein schwach leuchtendes Objekt innerhalb der protoplanetaren Gas- und Staubscheibe um Beta Pictoris. Es konnte ein Planet sein, aber vielleicht auch nur ein Hintergrundstern.

Als man im Jahre 2008 und im Frühjahr 2009 erneut die Scheibe um Beta Pictoris fotografierte, war das Objekt aber verschwunden. Doch im Herbst 2009 war es dann plötzlich wieder da und zwar auf der genau gegenüberliegenden Seite der protoplanetaren Scheibe!

Der neuentdeckte Planet in der Gas- und Staubscheibe bei Beta Pictoris im Herbst 2009. Der Stern ist ausgeblendet, da er ansonsten den vergleichsweise lichtschwachen Planeten hoffnungslos überstrahlen würde. Quelle:  http://www.eso.org/

Damit war klar, daß es sich um einen Planeten handelte. Dieser war zunächst im Jahre 2003 neben Beta Pictoris in der Scheibe gut sichtbar gewesen, dann zwischenzeitlich dem Stern so nahe gekommen, daß er überstrahlt wurde -wobei er entweder vor oder hinter dem Stern stand – und dann schließlich im Herbst 2009 genau gegenüber auf der anderen Seite des Sterns in der Scheibe wieder aufgetaucht. Die Beobachtungen erlaubten Rückschlüsse auf die Umlaufbahn dieses Planeten. Dieser umrundet Beta Pictoris einmal in 15-20 Jahren in einer Entfernung, die mit der des Planeten Saturn zu unserer Sonne vergleichbar ist.

Die Positionen des neu entdeckten Planeten bei Beta Pictoris in den Jahren 2003 und 2009. Erstmals wurde ein extrasolarer Planet beim Umrunden seines Sterns direkt beobachtet! Quelle: http://www.eso.org/

Aus der Deformation der Gas- und Staubscheibe läßt sich auch seine Masse abschätzen. Der Planet ist danach etwa 9 mal so schwer wie der größte Planet unseres Sonnensystems, der Gasriese Jupiter (~9 M Jup). Wegen seiner gewaltigen Masse und seiner weiten Entfernung zum Stern, die eindeutig  jenseits der “Scheegrenze” in der protoplanetaren Scheibe liegt, kann es sich ebenfalls nur um einen Gasriesen handeln. Dieser muß sich in erstaunlich kurzer  Zeit gebildet haben, denn der junge Stern Beta-Pictoris ist erst 12 Millionen Jahre alt. Das ist sehr wenig im Vergleich zu unserer Sonne mit einem Alter von immerhin schon 4,5 Milliarden Jahren. Die Bildung von Gasriesen scheint demnach sehr einfach und dürfte die Regel sein, falls  ausreichend Material in der protoplanetaren Scheibe vorhanden ist.

Zum Schluß noch der Hinweis auf eine Besonderheit des Beta-Pictoris-Systems:

Die protoplanetare Scheibe um Beta Pictoris enthält extrem hohe Mengen an Kohlenstoff. Das könnte bedeuten, daß mögliche Felsplaneten und -monde bei Beta-Pictoris (neben einem Eisen-Nickel-Kern) nicht hauptsächlich aus Silikatgesteinen bestehen wie das in unserem Sonnensystem der Fall ist, sondern hauptsächlich aus Kohlenstoffverbindungen wie Graphit, Carbid und Diamant. In den äußeren kalten Regionen des Planetensystems käme vielleicht noch superhart gefrorenes Wassereis hinzu.

Felsplaneten und -monde aus Kohlenstoff anstatt aus Silikaten im Beta-Pictoris-System? Kohlenstoffplaneten (kleines Bild unten) böten ein vollkommen anderes Erscheinungsbild als Silikatplaneten ähnlich der Erde (kleines Bild oben). Quelle: http://www.nasa.gov/

Die Atmosphären dieser exotischen Planeten würden wahrscheinlich vorwiegend Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Mehan (CH4) und vielleicht auch Stickstoff (N2) enthalten. Sogar einen Flüssigkeitskreislauf mit Seen, Flüssen, Meeren, Wolken und Niederschlägen könnte es geben, möglicherweise aber nicht mit Wasser (H2O), sondern mit flüssigen Kohlenwasserstoffen (CnHn). Das wäre in etwa vergleichbar mit den Verhältnissen auf dem Saturnmond Titan in unserem Sonnensystem.

Jens Christian Heuer

Quellen: ESO, NASA

Anzeichen für exotische Lebensformen in der Atmosphäre des Saturnmondes Titan?

Im Jahre 2004 erreichte die NASA-Sonde “Cassini” nach einer langen Reise den Saturn und schwenkte in eine Umlaufbahn ein. Kurz danach setzte sie die europäische Sonde Huygens aus, welch in die Atmosphäre des mit über 5000 km Durchmesser größten Saturnmondes Titan eintauchte. Nach Abtrennung des Hitzeschildes landete Huygens an einem Fallschirm weich auf der Oberfläche. Während des Abstiegs und auch nach der Landung übertrug die Sonde eindrucksvolle Aufnahmen. Die Sonde Cassini absolvierte in den folgenden Jahren mehrere Vorbeiflüge am Titan und anderen Saturnmonden.

Nach einer 7-jährigen Reise erreichte die NASA-Sonde Cassini den Ringplaneten Saturn. Mit dabei war die europäische Sonde Huygens, die weich auf dem größten Saturnmod Titan landete. Quelle: NASA

Bei der Auswertung der Daten zeigten sich nun erstaunliche Anomalien in der Atmosphäre des Titan, welche als Hinweise auf exotische Lebensformen interpretiert werden können.

Titan ist trotz seiner extrem niedrigen Oberflächentemperaturen, die bei -180°C liegen, eine in vieler Hinsicht erstaunlich erdähnliche Welt. Es gibt Flüsse, Seen, Inseln, Küsten, Berge, Dünen und Eisvulkane.

Die Atmosphäre des Titans besteht wie die der Erde zum größten Teil aus Stickstoff (N2), enthält aber überhaupt keinen Sauerstoff (O2). Dafür gibt es erhebliche Mengen an Methan (CH4) und anderen flüchtigen Kohlenwasserstoffen, daneben auch noch Wasserstoff (H2); Kohlendioxid (CO2) und ein paar Edelgase, vor allem Argon (Ar). 

Drei Ansichten des Titan im Infraroten. Quelle: Cassini-NASA

Die Seen und Flüsse auf Titan enthalten kein Wasser, sondern die flüssigen Kohlenwasserstoffe Methan und Ethan. Wie auf der Erde gibt es einen Flüssigkeitskreislauf, der neben den Winden und der Tektonik die Oberflächenstrukturen ganz entscheidend mitprägt.

Die flüssigen Kohlenwasserstoffe verdunsten bei leichter Erwärmung und kondensieren zu winzigen Tröpfchen, wenn sie in wieder abkühlen. Dabei bilden sich bodennahe Nebel, aber auch höhere Wolken aus denen es häufig regnet.

Wolken auf der Südhalbkugel des Titan. Quelle: Cassini-NASA

Titan ist ganz von einem dichten, gelblich-braunen Dunstschleier eingehüllt, der zu großen Teilen aus polymerisierten Kohlen-Stickstoff-Verbindungen, den Tholinen besteht, die sich unter dem Einfluß der UV-Strahlung der Sonne bilden.

Obere Atmosphäre und Dunstschleier. Quelle: Cassini-NASA 

Schon seit einiger Zeit wird über hypothetische Lebensformen auf  Titan nachgedacht. Da es auf Titan extrem kalt ist scheidet Wasser als Medium für enzymatisch vermittelte Reaktionen des Stoffwechsels aus. Die Rolle des Wassers würden stattdessen die flüssigen Kohlenwasserstoffe Methan und Ethan übernehmen. Als energieliefernde Reaktion käme die “Verbrennung” von Acetylen mit Wasserstoff infrage, denn Acetylen wird unter der Einwirkung der UV-Strahlen der Sonne in der Titanatmosphäre reichlich gebildet. Im Acetylen wird also Sonnenenergie gespeichert, die dann bei der enzymatischen “Verbrennung” mit Wasserstoff wieder frei würde. Irdisches Leben gewinnt seine Energie dagegen zumeist aus der Verbrennung von Kohlenhydraten mit Sauerstoff. Das gilt auch für pflanzliche Lebewesen, welche die Kohlenhydrate aber nicht verzehren müssen, sondern über die Photosynthese aus Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) unter der Nutzung von Sonnenlicht selbst herstellen.

Panoramaaufnahme der europäischen Sonde Huygens, die bei Cassini huckepack zum Saturnsystem mitreiste und weich auf Titan landete. Im Vordergrund sieht man  links und rechts im Bild Gebirge, in der Bildmitte dazwischen zeichnet sich in größerer Entfernung eindeutig eine Küstenlinie ab. Quelle: Christian Waldvogel (http://www.waldvogel.com/), Huygens-ESA

Zwei neu veröffentlichte Überprüfungen der Cassini-Daten durch Wissenschaftlerteams der NASA  zeigten in Oberflächennähe ein rätselhaftes Verschwinden der beiden in der Atmosphäre reichlich vorhandenen Gase Acetylen und Wasserstoff an, genauso wie man das auch bei den bisher noch hypothetischen exotischen Lebensformen erwarten würde.

“Die neuen Auswertungen der Cassini-Daten stimmen zwar mit Bedingungen überein, wie sie exotische, auf Methan basierende Lebensformen entstehen lassen könnten, beweisen jedoch noch nicht deren Existenz”, meint Darrell Strobel (Johns Hopkins University, Baltimore), einer der an den Untersuchungen beteiligten Wissenschaftler.

Acetylen, eine wie oben beschrieben in der Atmosphäre des Titan reichlich vorhandene ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindung, müßte  eigentlich absinken und sich auf seiner kalten Oberfläche niederschlagen. Doch direkt an der Oberfläche findet man kaum Acetylen. Wird es durch exotische Mikroorganismen verzehrt?

Eingefärbtes Radarbild großer Seen audf der Nordhalbkugel. Die weissen Regionen wurden bisher noch nicht erfasst. Quelle: Cassini-NASA

Dieselbe Frage stellt sich auch beim Wasserstoff. Unter den Bedingungen der sauerstoffreien Titanatmosphäre ist das leichte Wasserstoffgas ausgesprochen reaktionsträge. Nach bisheriger Lesart müßte es sich in der Atmosphäre mehr oder weniger gleichmäßig verteilen und wegen seiner großen Flüchtigkeit in erheblichen Mengen nach oben in den Weltraum entweichen. Das passiert auch in Wirklichkeit so, aber zusätzlich wurde noch etwas anderes gefunden. Nahe der Oberfläche fällt unerwarteterweise die Konzentration des Wasserstoffgases drastisch ab. Es sieht ganz so aus als ob der Wasserstoff von der Oberfläche regelrecht aufgesogen wird und dann auf Nimmerwiedersehen verschwindet. Wasserstoff entsteht in großen Mengen in der oberen Titanatmosphäre, wo die UV-Strahlung der Sonne Methan- und Acetylenmoleküle aufbricht. Der dabei freigesetzte atomare verbindet sich zu den zweiatomigen molekularen Wasserstoff. Es gibt keinen bekannten Mechanismus durch den der reaktionsträge Wasserstoff  an der Oberfläche gebunden oder in Höhlen angesammelt werden könnte. Wird er also durch Mikroorganismen als Reaktionspartner von Acetylen genutzt und dabei verbraucht?

Überraschenderweise fanden die NASA-Wissenschaftler spektroskopisch auch keine Wassersignaturen an der Oberfläche des Titan, obwohl das Oberflächengestein wegen der extrem niedrigen Temperaturen aus superhart gefrorenem Wassereis besteht. Das Wassereisgestein ist anscheinend mit einem organischen Film aus Kohlenwasserstoffen überzogen. Spektroskopisch wurde Benzol nachgewiesen, daneben aber auch noch eine weitere, bisher nicht identifizierte organische Verbindung. Der organische Film scheint selbst dann erhalten zu bleiben, wenn flüssiges Methan und Ethan über das Wassereis fließt.

Eisvulkan auf Titan in verschiedenen infraroten Wellenlängen. Quelle: Cassini-NASA

Wassereis übernimmt auf dem Saturnmond Titan die Rolle des irdischen Silikatgesteins. Aus den Eisvulkanen strömt bei Ausbrüchen zähflüssiges Eis und/oder flüssiges Wasser, das an der bitterkalten Oberfläche im Handumdrehen wieder zu Wassereisgestein erstarrt.

Jens Christian Heuer

Quellen:  NASA, New Scientist