Klassifizierung von Galaxien – Hubbles geniale Einteilung

Eine Galaxie ist eine gigantische Ansammlung von Sternen, Sternhaufen, Gas, Staub und Dunkler Materie, die durch die Schwerkraft zusammengehalten wird. Unsere eigene Galaxie ist die Milchstraße, die über hundert Milliarden Sterne beherbergt. Galaxien werden hauptsächlich nach ihrer visuellen Form klassifiziert, ein System, das als Hubble-Sequenz bekannt ist. Die drei Haupttypen sind die Spiralgalaxien, die elliptischen Galaxien und die irregulären Galaxien. Spiralgalaxien zeichnen sich durch rotierende Scheiben und helle, gasreiche Arme aus, in denen aktiv neue Sterne entstehen. Die häufigste Unterform ist die Balkenspiralgalaxie, zu der auch die Milchstraße zählt. Elliptische Galaxien sind kugelförmig bis eiförmig, enthalten fast nur alte, rote Sterne und betreiben kaum noch Sternentstehung. Linsenförmige Galaxien (S0) stellen eine Übergangsform ohne Spiralarme dar, besitzen aber eine Scheibe. Irreguläre Galaxien haben keine definierte Struktur und entstehen oft durch gravitative Störungen.

Galaxien sind nicht isoliert, sondern bilden Galaxienhaufen und Superhaufen, die das großräumige Netzwerk des Universums definieren. Im Zentrum fast jeder massereichen Galaxie befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Die Entstehung von Galaxien begann kurz nach dem Urknall mit der Agglomeration von Dunkler Materie und Gas. Galaxien entwickeln sich ständig weiter, indem sie Gas verlieren oder durch Kollisionen und Verschmelzungen mit anderen Galaxien ihre Form ändern. In etwa 4,5 Milliarden Jahren wird unsere Milchstraße mit der Nachbargalaxie Andromeda kollidieren.

Klassifizierung von Galaxien (Hubble-Sequenz)

Die Klassifizierung von Galaxien erfolgt in der Astronomie primär nach ihrer sichtbaren Form oder Morphologie, einer Methode, die Edwin Hubble in den 1920er Jahren entwickelte und die als Hubble-Sequenz oder Stimmgabeldiagramm bekannt ist. Das Schema unterteilt Galaxien in drei Hauptformen: elliptische, spiralförmige und irreguläre Galaxien, wobei die linsenförmigen Typen eine wichtige Übergangsrolle spielen. Elliptische Galaxien (E-Typ) stellen die größte Klasse dar und besitzen eine Form, die von nahezu kugelförmig (E0) bis stark abgeplattet (E7) reicht. Ihnen fehlt jegliche interne Struktur wie Spiralarme oder eine flache Scheibe, stattdessen sind ihre Sterne in zufälligen Bahnen angeordnet. Die Sternpopulation dieser Galaxien ist hauptsächlich alt und rot, was darauf hindeutet, dass sie ihren Vorrat an kaltem Gas und Staub bereits verbraucht oder verloren haben, wodurch die Sternentstehung effektiv eingestellt wurde.

Spiralgalaxien (S-Typ) hingegen sind durch eine geordnete Struktur charakterisiert, bestehend aus einem zentralen Bulge und einer flachen, rotierenden Scheibe mit deutlich erkennbaren Spiralarmen. Diese Arme sind reich an Gas und Staub, was sie zu aktiven Orten der Sternentstehung macht, die durch das Leuchten junger, blauer Sterne dominiert werden. Die Unterteilung von Spiralen erfolgt nach der Größe des Bulge und der Enge der Arme von Sa (großer Bulge, enge Arme) bis Sc (kleiner Bulge, lockere Arme). Eine häufige Variante sind die Balkenspiralgalaxien (SB-Typ), die zusätzlich einen prominenten, stabförmigen Sternenriegel im Zentrum aufweisen, von dem die Spiralarme ausgehen. Dieser Balken spielt eine entscheidende Rolle beim Transport von Materie in das Galaxienzentrum und beeinflusst die Sternentstehungsrate dort.

Als Übergangsklasse zwischen Ellipsen und Spiralen dienen die linsenförmigen Galaxien (S0). Diese besitzen zwar einen Bulge und eine Scheibe, wie Spiralen, zeigen aber keine Spiralarme und sind, ähnlich wie Ellipsen, gasarm. Es wird angenommen, dass S0-Galaxien oft aus Spiralgalaxien entstanden sind, deren Gas durch Wechselwirkungen in dichten Galaxienhaufen entfernt wurde. Schließlich gibt es noch die Irregulären Galaxien (Irr-Typ), die keine definierte Struktur oder Symmetrie aufweisen. Diese kleinen, oft gasreichen Systeme sind häufig das Ergebnis von gravitativen Störungen oder Kollisionen und zeigen eine chaotische, aber oft intensive Sternentstehung, wie es bei den Magellanschen Wolken der Fall ist. Die Hubble-Sequenz bleibt somit ein essentielles Werkzeug, um die Vielfalt der Galaxien im Universum systematisch zu erfassen und ihre Entwicklungsgeschichte zu erforschen.

1. Elliptische Galaxien (E-Typ)

Elliptische Galaxien sind die größten bekannten Galaxien im Universum und dominieren oft die Zentren von Galaxienhaufen. Ihre grundlegende Form ist ein dreiachsiges Ellipsoid, wobei ihre Erscheinung von nahezu kugelförmig bis stark abgeplattet reichen kann. Die Klassifizierung reicht von E0 (fast perfekt rund) bis E7 (sehr stark abgeplattet), wobei der Index die scheinbare Elliptizität beschreibt. Im Gegensatz zu Spiralgalaxien weisen elliptische Galaxien keine rotierende Scheibe, keine Spiralarme und keine ausgeprägten Staubspuren auf. Ihre Helligkeit fällt vom dichten, leuchtenden Zentrum nach außen sehr gleichmäßig und sanft ab. Dies liegt daran, dass die Sterne in diesen Systemen zufällige, ungeordnete Bahnen um das galaktische Zentrum einschlagen, im Gegensatz zu den geordneten, kreisförmigen Bahnen in Spiralen.

Die Sternpopulation in E-Galaxien ist überwiegend alt und rot (sogenannte Population II Sterne). Diese Farbe ist ein direkter Hinweis darauf, dass die Galaxien kaum noch aktive Sternentstehung betreiben. Sie enthalten extrem wenig oder gar kein kaltes Gas und Staub, das Material, das für die Bildung neuer Sterne benötigt wird. Man nimmt an, dass das gesamte Gas im Laufe der Zeit entweder in Sterne umgewandelt oder durch einen Prozess namens „Galactic Wind“ aus dem System hinausgeblasen wurde. Dieser Mangel an „Nachschub“ führt zu einer eingestellten Sternentstehungsrate; man spricht von „red and dead“ Galaxien. Elliptische Galaxien sind wahrscheinlich das Endprodukt von Galaxienverschmelzungen (Major Mergers), bei denen die Scheibenstrukturen der kollidierenden Galaxien durch die gravitativen Wechselwirkungen zerstört und die Sternbahnen neu gemischt wurden.

2. Spiralgalaxien (S-Typ)

Spiralgalaxien sind wohl die bekannteste Galaxienform und zeichnen sich durch eine klare, geordnete Struktur aus, die einer Spirale ähnelt. Sie bestehen aus drei Hauptkomponenten: einem zentralen, kugelförmigen Bulge, einer flachen, rotierenden Scheibe und einem äußeren Halo aus dunkler Materie. Der Bulge ähnelt in seiner Sternpopulation einer kleinen elliptischen Galaxie mit älteren, rötlichen Sternen. Die Scheibe ist der Ort des Geschehens, wo sich die charakteristischen Spiralarme befinden. Diese Arme sind keine starren Gebilde, sondern Dichtewellen (Spiral Density Waves), die sich langsamer drehen als die Sterne und das Gas.

Wenn Gas und Staub in diese Dichtewellen eintreten, werden sie komprimiert, was die Sternentstehung auslöst. Daher sind die Spiralarme leuchtend blau gefärbt, da sie eine hohe Konzentration an jungen, heißen Riesensternen (Population I Sterne) beherbergen. Die Unterteilung in Sa, Sb und Sc basiert auf der Größe des Bulge und der Wicklung der Arme: Sa hat den größten Bulge und die am engsten gewundenen Arme, während Sc den kleinsten Bulge und die lockersten Arme aufweist. Spiralgalaxien sind im Allgemeinen gasreich und zeigen eine hohe Rotationsgeschwindigkeit, da die Sterne und das Gas in der Scheibe geordnet rotieren. Diese Galaxien sind typischerweise in den äußeren, weniger dichten Regionen von Galaxienhaufen zu finden, wo gravitative Störungen seltener sind.

3. Balkenspiralgalaxien (SB-Typ)

Balkenspiralgalaxien sind eine sehr häufige Variante der Spiralgalaxien; Schätzungen zufolge ist über die Hälfte aller Spiralgalaxien, einschließlich unserer Milchstraße, vom Typ mit Balken. Der wesentliche Unterschied zu einer normalen Spiralgalaxie ist die Anwesenheit eines prominenten, stabförmigen Merkmals (des sogenannten Balkens oder Bar) aus Sternen im Zentrum. Dieser Balken durchzieht den Bulge und von seinen Enden gehen die Spiralarme aus. Der Balken selbst rotiert als starre Einheit.

Die Anwesenheit dieses Balkens hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Dynamik und Entwicklung der Galaxie. Der Balken wirkt als Kanal, der Gas und Materie aus den äußeren Scheibenregionen effizient in das zentrale Schwarze Loch und den Bulge leitet. Dieser materielle Zufluss kann die Sternentstehung im Zentrum anregen oder den Aktiven Galaxienkern (AGN) mit „Futter“ versorgen. Die Klassifizierung erfolgt analog zu den nicht-gebalkten Spiralgalaxien: SBa hat den massivsten Balken, den größten Bulge und die engsten Arme. SBc hingegen besitzt einen eher diffusen Balken, einen kleinen Bulge und die lockersten Spiralarme. Die Entstehung dieser Balken ist auf gravitative Instabilitäten innerhalb der rotierenden Scheibe zurückzuführen, und sie gelten als natürliche und stabile Entwicklungsstufe von Spiralgalaxien.

4. Linsenförmige Galaxien (S0-Typ)

Die Linsenförmigen Galaxien (S0) stellen im Hubble-Diagramm eine wichtige Übergangsklasse zwischen den elliptischen (E) und den spiralförmigen (S) Galaxien dar. Sie besitzen Merkmale beider Haupttypen, was ihre Einordnung als S0 am „Knie“ der Hubble-Stimmgabel begründet. Strukturell verfügen S0-Galaxien über einen hellen, zentralen Bulge und eine ausgedehnte, flache Scheibe – Merkmale, die sie mit Spiralgalaxien teilen. Das entscheidende morphologische Merkmal ist jedoch das Fehlen von Spiralarmen und der zugehörigen Gas- und Staubstrukturen in der Scheibe.

Aufgrund dieses Mangels an kaltem Gas ist die Sternentstehungsrate in S0-Galaxien extrem niedrig oder bereits eingestellt, ähnlich wie bei elliptischen Galaxien. Ihre Sternpopulation besteht demnach ebenfalls überwiegend aus älteren, rötlichen Sternen. Astronomen vermuten, dass Linsenförmige Galaxien aus Spiralgalaxien entstanden sind, deren Gas- und Staubvorräte durch äußere Einflüsse entfernt oder „verbraucht“ wurden. Diese Einflüsse sind oft gravitative „Tritte“ durch nahegelegene Galaxien oder der „Ram-Pressure Stripping“-Effekt, bei dem das intergalaktische Medium in dichten Haufen das Gas aus der Scheibe „fegt“. Sie dominieren daher die dichteren Regionen von Galaxienhaufen, wo solche Wechselwirkungen häufiger auftreten.

5. Irreguläre Galaxien (Irr-Typ)

Irreguläre Galaxien stellen die Gruppe von Galaxien dar, die keine klare oder geordnete Form aufweisen, wodurch sie sich der Einteilung in Ellipsen, Spiralen oder Balken entziehen. Sie sind oft relativ klein und gehören zur Klasse der Zwerggalaxien. Ihre unregelmäßige Gestalt ist typischerweise das Ergebnis starker gravitative Störungen durch massereichere Nachbargalaxien. Sie zeigen häufig verformte Umrisse, unorganisierte Haufen von Sternen und keine definierte Rotationssymmetrie wie eine Scheibe oder ein Bulge. Man unterscheidet hauptsächlich zwischen Irr-I (unregelmäßig, aber mit einigen Anzeichen einer Struktur, z.B. Haufen von jungen Sternen) und Irr-II (vollständig ungeordnet oder sogar explosionsartig verformt).

Obwohl sie unstrukturiert erscheinen, sind irreguläre Galaxien extrem wichtig für die Sternentstehung. Sie sind oft sehr gasreich und weisen eine hohe Rate aktiver Sternbildung auf, die sich in hellen, chaotisch verteilten Regionen aus jungen, blauen Sternen manifestiert. Beispiele hierfür sind die Große und Kleine Magellansche Wolke (Begleitgalaxien der Milchstraße). Diese Galaxien spielen eine entscheidende Rolle für das Verständnis des Ur-Universums, da man annimmt, dass viele der ersten Galaxien, die sich nach dem Urknall bildeten, kleine und unregelmäßige Formen hatten. Ihre heutige Form ist ein direkter Beweis für die dynamischen Prozesse und Kollisionen, welche die Galaxienentwicklung antreiben.

Ausführliche Tabelle der Galaxienklassifikationen (Hubble-Sequenz)

Die größten Galaxien pro Hubble-Klassifikation