Als via lactea – "milchige Straße" – bezeichneten die Römer das blasse Lichtband, das sich über den Nachthimmel spannt. Dass dieser schmale Streifen in Wirklichkeit unsere eigene Galaxie in der Seitenansicht zeigt, konnten Astronomen erst in den 1920er Jahren belegen: Sie erkannten in ihm ein Feuerrad aus Nebeln, Gaswolken und Milliarden Sternen, gewaltig groß zwar, aber insgesamt doch eher behäbig. Denn Galaxien wie die unsere, hieß es noch bis vor nicht allzu langer Zeit, seien schwerfällige, langsam rotierende Strukturen, die sich vor Äonen gebildet hätten und inzwischen in ein ereignisloses mittleres Alter eingetreten seien.

Doch moderne Beobachtungen zeichnen ein anderes Bild. Ab den 1970er und 1980er Jahren kartierten Astronomen die Milchstraße mit einer neuen Generation von boden- und weltraumgestützten Teleskopen – in Wellenlängen vom Mikrowellen- bis hinein in den Röntgenbereich – und enthüllten eine ungeahnte Vielfalt. Bis Anfang der 2000er Jahre hatten systematische Beobachtungsprogramme galaktische Strukturen aufgedeckt, die sich nahezu über den gesamten Himmel erstreckten und so groß waren, dass sie niemand zuvor bemerkt hatte. Im gegenwärtigen Jahrzehnt überboten sich die Forscherteams dann mit immer leistungsfähigeren Computersimulationen, die die Galaxienentstehung über viele Größenordnungen modellierten – vom gesamten Universum bis hin zur Ebene einzelner Sternhaufen. Und im kommenden Jahr wird das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) in Chile die Galaxis in bisher unerreichter Auflösung abbilden.

Diese Datenflut haben Astronomen noch längst nicht vollständig verarbeitet. Meinungsverschiedenheiten, Unsicherheiten und offene Fragen gibt es zuhauf. Dass unsere kosmische Heimat eine ruhige Gegend ist, würde allerdings niemand mehr behaupten. Die neuen Forschungsergebnisse enthüllen eine Galaxis, die im Chaos geboren und durch Gewalt geformt wurde, die in einem Zustand turbulenter Komplexität existiert und deren Zukunft so manche Katastrophe bereithält.

Ein Halo aus Dunkler Materie

Zwar streiten Wissenschaftler noch darüber, wie die Geburt der Milchstraße en détail ablief. Doch alle sind sich einig, dass ihre Geschichte mit Dunkler Materie begann. Dieser unsichtbare Stoff befindet sich überall, auch wenn noch niemand weiß, woraus er eigentlich besteht. Die gewöhnliche Materie – also Sterne, Gas und alles andere aus Atomen – macht gerade ein Fünftel der gesamten Materie im Universum aus, den Rest liefert die Dunkle Materie. Und dennoch lässt sich der mysteriöse Stoff nur durch seine Anziehungskraft auf sichtbare Sterne und Galaxien nachweisen. Seit den 1970er Jahren wissen Astronomen, dass die Milchstraße, wie jede andere Galaxie auch, von einem riesigen Kokon aus Dunkler Materie umhüllt ist; die Schwerkraft der gewöhnlichen Materie allein würde bei Weitem nicht ausreichen, um die Galaxis zusammenzuhalten.

In der Zeit unmittelbar nach dem Urknall vor rund 13,7 Milliarden Jahren wuchsen winzige Dichtefluktuationen in der Dunklen Materie durch die Schwerkraft an und bildeten auf allen Größenskalen immer dichtere Klumpen. Computersimulationen zufolge führten diese Verklumpungsprozesse unweigerlich zu einem chaotischen Zustand, geprägt von Kollisionen und Verschmelzungen. Doch innerhalb von einer Milliarde Jahren nach dem Urknall beruhigte sich die Situation allmählich, und einige der Klumpen aus Dunkler Materie sahen nun so ähnlich aus wie das, was die Milchstraße umgibt: ein nahezu kugelförmiger Halo mit einem Durchmesser von mehreren hundert Kiloparsec (1 Kiloparsec entspricht 3200 Lichtjahren) und einer Masse von etwa einer Billion Sonnen sowie einer Vielzahl an Subhalos, deren Masse bis hinunter zur Erdmasse reicht.

Baumaterial für die Galaxis

Innerhalb des Haupthalos befand sich ein dünner Schleier aus primordialem Wasserstoff- und Heliumgas, der von der Schwerkraft der Dunklen Materie mitgerissen wurde. Nach ein paar hundert Millionen Jahren war dieses Gas genügend abgekühlt und verdichtet, um Sterne zu bilden und fortan als Baumaterial für die Galaxis zu dienen. Lassen sich auch diese Vorgänge simulieren? Prinzipiell sei das möglich, erklärt Piero Madau von der University of California in Santa Cruz. "Dunkle Materie spricht nur auf Gravitation an, und wir verstehen die Gravitation." Doch die gewöhnliche Materie in der heutigen galaktischen Struktur anzuordnen, erfordert vielfältige physikalische Prozesse wie Kollisionen, Dissipation, Abkühlung, Aufheizung und Explosionen. "Es ist sehr kompliziert", fasst Madau zusammen.

Probleme bereiten die Subhalos aus Dunkler Materie. Oberhalb einer bestimmten, bisher allerdings noch nicht genauer eingegrenzten Masse sollten sie genügend Gas in sich hineingezogen haben, um Sterne zu bilden. Das Ergebnis wären Tausende von Zwerggalaxien: unregelmäßige Stern- und Gasansammlungen von rund einem Prozent der Masse der heutigen Milchstraße. In ihrem Orbit hat man bislang allerdings nur rund zwei Dutzend beobachtet.

Es existieren mehrere Ansätze, um diese Diskrepanz zu erklären. Möglicherweise gibt es tatsächlich viele weitere Zwerggalaxien, die jedoch nur ein äußerst schwaches Leuchten produzieren, weil sie kaum gewöhnliche Materie enthalten. Die Zwerggalaxie Segue 1 besitzt beispielsweise 1000-mal mehr Dunkle als leuchtende Materie [1]. "Wir sind wirklich sehr daran interessiert, diese unglaublich leuchtschwachen Galaxien aufzuspüren", berichtet Connie Rockosi von der University of California in Santa Cruz, "weil sie uns verraten können, ab welcher Massegrenze die Subhalos aus Dunkler Materie keine Sterne und nicht einmal Galaxien mehr bilden können."

Alternativ könnten einige Subhalos womöglich zu klein sein, um jemals Sterne hervorzubringen, und wären damit völlig dunkel. Um solche galaxienlosen Klumpen aus Dunkler Materie aufzuspüren, fahnden Astronomen nach deren Gravitationswirkung auf nahe gelegene Zwerggalaxien oder Sternströme. Bisher ließ sich der erwartete Effekt jedoch nicht zweifelsfrei nachweisen. "Das wäre großartig, wenn wir einen Dunkle-Materie-Subhalo ohne Galaxie darin entdecken würden", sagt Rockosi. "Das steht ganz oben auf meiner Liste von Objekten, die ich einmal beobachten möchte."

Denkbar wäre auch ein Szenario, in dem deutlich mehr Zwerggalaxien entstanden. Die erste Sterngeneration war jedoch derart massereich, heiß und explosiv, dass sie sowohl das restliche Gas als auch die anderen Sterne ins Weltall katapultierte [2]. Eine Ausnahme davon bildeten nur die größten Subhalos.

Der stellare Halo

Ob nun auf die eine oder andere Art, die Galaxienentstehung schritt rasch voran. Gas und Zwerggalaxien wirbelten in Richtung der Proto-Milchstraße: einer ständig wachsenden Masse aus Gas und Sternen, die sich am Zentrum des Dunkle-Materie-Halos angesammelt hatte. Die Zwerggalaxien "sausten überall herum", erläutert Heather Morrison von der Case Western Reserve University in Cleveland. "Es war ein einziges Durcheinander." Zwangsläufig kamen einige von ihnen dem stetig wachsenden Kern zu nahe und wurden durch dessen Schwerkraft auseinandergezogen.

Die Randgebiete der heutigen Milchstraße scheinen mit Überresten solcher Ereignisse übersät zu sein: Entlang der ursprünglichen Umlaufbahn von Zwerggalaxien umrunden Sternströme die Galaxie. Diese Ströme sind schwierig auszumachen, weil sie zum einen nur schwach leuchten und sich zum anderen über weite Teile des Himmels erstrecken. Astronomen entdecken aber mehr und mehr von ihnen. In mindestens einem Fall – nämlich dem der Sagittarius-Zwerggalaxie und einem zugehörigen Sternstrom – konnten sie sogar beobachten, wie eine Zwerggalaxie sich gerade auflöst [3].

Diese Ströme bahnen sich ihren Weg durch einen leuchtschwachen, diffusen Halo aus Sternen, der die Milchstraße kugelförmig umgibt. Mit einer Gesamtmasse von etwa einer Milliarde Sonnen erstreckt er sich in jeder Richtung vermutlich über rund 100 Kiloparsec ins All. Dieser stellare Halo könnte sich aus den Überresten der Zwerggalaxien zusammensetzen, die über Milliarden von Jahren auseinandergezerrt wurden. Tatsächlich ist die Geschichte aber wohl ein wenig komplizierter.

2007 konnte ein Team um Daniela Carollo von der Macquarie University im australischen Sydney und Timothy Beers vom Kitt Peak National Observatory in Tucson frühere Hinweise bestätigten, dass sich der stellare Halo in innere und äußere Komponenten aufteilt [4]. Sterne im äußeren Halo zeigen in ihren Spektren für gewöhnlich nur Spuren von schweren Elementen wie Eisen. Dies deutet darauf hin, dass diese Sterne nur eine Generation von den ersten Sternen entfernt sind, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall im Universum entstanden. Die genaue Verteilung der schweren Elemente im äußeren Halo könnte den Astronomen somit nicht zuletzt etwas über diese längst vergangenen ersten Sterne verraten.

Die Sterne im inneren Halo weisen höhere Mengen an schweren Elementen auf und sind etwas jünger – nur rund 11,4 Milliarden Jahre alt –, ergab eine Studie von Jason Kalirai vom Space Telescope Science Institute in Baltimore [5]. Darüber hinaus verläuft die durchschnittliche Bewegung der äußeren Halosterne entgegengesetzt zu derjenigen der Galaxis, während sich der innere Halo in dieselbe Richtung dreht [4].

Entstehung der großen Scheibe

Dieses Muster legt nahe, dass sich der äußere Halo aus zerstörten Zwerggalaxien formte und der innere Halo zurückblieb, als die Proto-Milchstraße in ihre heutige Spiralform zusammenstürzte. Die Dynamik dieses Kollapses verstehen Wissenschaftler seit Jahrzehnten: Bei jedem Zusammenstoß zwischen den einfallenden Gasmassen und Zwerggalaxien wandelte sich ein Teil ihrer Rotationsenergie in Wärme um, so dass sie sich immer weiter nach innen, gen Zentrum, bewegten. Auf diese Weise verstärkten sie die Rotation der werdenden Galaxis, deren Drehung einst durch kleine, zufällige Beiträge entstand. Da sich die zusammenziehende Masse immer schneller drehte, flachte sie sich nach und nach zu einer dünnen Scheibe ab.

Durch den Einfluss der Gravitation stapelten sich mittlerweile die Bahnen der Sterne und Gaswolken innerhalb der Scheibe. Die Folge waren himmlische Staus in Form von sich windenden "Dichtewellen" – aus denen letztlich die Spiralarme hervorgingen. (In manchen Galaxien scheinen die Spiralarme auch das Ergebnis von Stoßwellen zu sein, die sich durch das interstellare Gas ausbreiten.)

Sobald es um die Details geht, sind sich Astronomen aber nicht mehr so sicher. Dauerte es eine Milliarde Jahre, bis sich die Scheibe bildete? Oder zehn Milliarden Jahre? "Niemand weiß es mit Sicherheit", sagt James Bullock von der University of California in Irvine. Und wie kann es angehen, dass die Milchstraße weiterhin Sterne produziert, obwohl ihr eigentlich schon vor Milliarden von Jahren das Rohmaterial dafür hätte ausgehen müssen? Um dies zu bewerkstelligen, muss sie ein komplexes Ökosystem aufrechterhalten, in dem ein Materiekreislauf zwischen Sternen und interstellarem Gas existiert.

Das Gas weist größtenteils eine sehr niedrige Dichte auf, mit nur ein paar hundert Atomen pro Kubikmeter. Infolge der ultravioletten Strahlung, die die Sterne aussenden, driftet es in einem heißen, ionisierten Zustand durch die Scheibe. In den 1970er Jahren entdeckten Astronomen, dass sich das Gas manchmal von selbst – die Gründe dafür sind nach wie vor nicht ganz klar – in dichten Wolken arrangiert, deren Inneres vor dem Sternlicht abgeschirmt ist. In den Zentren dieser Wolken kühlt sich das Gas auf Temperaturen von 10 bis 30 Grad über dem absoluten Nullpunkt ab, wodurch sich die Atome im Gas zu Molekülen wie molekularem Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammenschließen können; daher der Name "Molekülwolken". Die vergleichsweise hohe Dichte bringt wegen der Schwerkraft aber auch Instabilität mit sich. Kaum haben sich die Molekülwolken gebildet, entwickeln sich die dicksten Klumpen darin zu Sternen: Sie ziehen sich unter ihrer Eigengravitation zusammen und heizen sich dabei auf, bis schließlich Kernfusionsreaktionen zünden.

In diesen Sternentstehungsgebieten innerhalb der Wolken – die man oft als die "stellaren Kinderstuben" der Galaxie bezeichnet – geht es turbulent zu: Neugeborene Sterne stoßen Materie in Form von heftigen Sternwinden aus, zusammen mit Unmengen an ultravioletter Strahlung. Die massereichsten unter ihnen sterben schnell als Supernova, andere beenden ihr Leben als Roter Riese, der seine äußeren Schichten ins Weltall schleudert. Alle diese Prozesse führen Gas zurück in die Weiten der Galaxie, wo es schließlich abkühlt, kondensiert und den Kreislauf erneut durchläuft.

Doch es gibt einen Haken an der Sache: Die Milchstraße wandelt Gas mit einer Geschwindigkeit von wenigen Sonnenmassen pro Jahr in Sterne um – ein Tempo, bei dem bis heute alles vorhandene Gas hätte längst aufgebraucht sein müssen. Doch in der Galaxis entstanden Sterne mindestens über die vergangenen zehn Milliarden Jahre. "Sie muss das Gas von irgendwoher bekommen haben", sagt Ken Freeman von der Australian National University in Canberra.

Dieses "Irgendwo" könnte eine weiter außen liegende Lagerstätte sein: Aufnahmen im extrem ultravioletten und Röntgenbereich zeigen, dass ein Gashalo den stellaren Halo der Milchstraße umspannt [6, 7]. Solche Gasspeicher haben Astronomen auch um andere Galaxien beobachtet [8]. Es ist meist ionisierter Wasserstoff mit Temperaturen von vermutlich einer Million Grad Celsius, der sich einige hundert Kiloparsec vom Zentrum in den Raum erstreckt. Trotz einer Dichte von lediglich rund 100 Wasserstoffatomen pro Kubikmeter bringen es diese Depots wegen ihrer enormen Größe auf eine Masse, die mindestens derjenigen aller Sterne in der Galaxie entspricht. "Ein hervorragendes Reservoir", sagt Freeman, "und wenn nur ein wenig davon gen Zentrum dringt, würde das ausreichen, um die Sternentstehung anzufachen" – für Milliarden von Jahren.

Ist das Halogas genügend abgekühlt und verdichtet, fällt es in die Galaxie – "vergleichbar mit Tau, der sich von einem Nebel absetzt", veranschaulicht David Weinberg von der Ohio State University in Columbus. Möglicherweise handelt es sich hierbei um die bereits beobachteten Hochgeschwindigkeitswolken, die sich gen Scheibe bewegen [9]. Zusammenhängen könnten diese Wolken wiederum mit den "galaktischen Fontänen", in denen Materie von Sternexplosionen 10 bis 100 Kiloparsec aus der galaktischen Scheibe hinausgeschleudert wird [10]. Der Theorie zufolge steigen die Fontänen in den Gashalo auf, reißen dort ionisiertes Gas mit sich und fallen dann als Hochgeschwindigkeitswolken zurück in Richtung der Scheibe. "Wir sehen, wie sich Materie nach außen und wie sich Materie nach innen bewegt", sagt Weinberg, "aber wir wissen nicht, ob es sich dabei um dieselbe Materie handelt."

Der Bulge und der Balken

Im Zentralbereich der Milchstraße, rund acht Kiloparsec von der Erde entfernt, befindet sich der Bulge (englisch für "Ausbuchtung"): eine kugelförmige Ansammlung von meist älteren Sternen – durchschnittlich etwa zehn Milliarden Jahre alt – mit insgesamt rund 10¹⁰ Sonnenmassen. Durchteilt wird der Bulge von einem nahezu geraden und zwei bis vier Kiloparsec langen "Balken" aus jüngeren Sternen. Während dessen Ursprünge noch umstritten sind, lassen sich ähnliche Eigenschaften auch häufig in anderen Balkenspiralgalaxien beobachten.

Und im Herzen des Bulge residiert ein riesiges Schwarzes Loch, das genau im galaktischen Zentrum sitzt. Mit vier Millionen Sonnenmassen gehört es eher zu den kleineren Exemplaren. Denn die meisten Galaxien besitzen offenbar ein Schwarzes Loch in ihrem Zentrum, und diese Schwarzen Löcher vereinen oft Milliarden von Sonnenmassen in sich. Zudem scheint unseres gerade nicht aktiv zu sein – das heißt, es fällt derzeit nichts hinein, erst im kommenden Jahr hoffen Forscher ein solches Ereignis beobachten zu können.

Früher jedoch war es viel lebhafter. 2010 entdeckte Douglas Finkbeiner vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge zwei Blasen auf beiden Seiten des Bulge und senkrecht zur galaktischen Scheibe [11]. Jede davon war rund 7600 Parsec lang und von Röntgenemissionen umgeben; vom galaktischen Zentrum aus schossen schmale Gammastrahlenbündel in sie hinein. Sowohl diese Jets als auch die Blasen zeugen von einem aktiven Schwarzen Loch: Fällt Materie in das Schwarze Loch, schießen aus ihr gebündelte Teilchenströme ins All und erzeugen Stoßwellen im umgebenden Gas. Aktive Schwarze Löcher sind in Galaxienzentren relativ häufig anzutreffen und gehören wahrscheinlich zu einem Stadium, das alle Galaxien durchlaufen. Finkbeiner schätzt, dass das Schwarze Loch der Milchstraße vor rund zehn Millionen Jahren aktiv war, und möglicherweise auch in früheren Phasen. "Das Schwarze Loch wäre nicht auf vier Millionen Sonnenmassen angewachsen, wenn nichts hineingefallen wäre", so der Astronom.

Die Zukunft

Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass die nächstgelegene große Galaxie, die Spiralgalaxie M31 im Sternbild Andromeda, auf die Milchstraße zusteuert. Allerdings konnten Forscher lange Zeit nicht sagen, ob eine Kollision bevorsteht. Denn sie waren nicht in der Lage, die Seitwärts- oder so genannte Eigenbewegung der Andromedagalaxie am Himmel zu messen. Im Mai verglichen Roeland van der Marel vom Space Telescope Science Institute und seine Kollegen die Position von M31 über einen längeren Zeitraum mit der von Hintergrundgalaxien. Auf diese Weise konnten sie die Eigenbewegung der Andromedagalaxie mit einer Genauigkeit von elf Mikrobogensekunden pro Jahr bestimmen [12-14] – mit einer solchen Auflösung könnte man menschlichen Fingernägeln auch vom Mond aus beim Wachsen zusehen.

Derzeit sind M31 und die Milchstraße noch etwa 770 Kiloparsec voneinander entfernt und bewegen sich mit 109 Kilometern pro Sekunde aufeinander zu. Den Ergebnissen zufolge müssten sie in gut sechs Milliarden Jahren frontal zusammenstoßen. Die beiden Spiralgalaxien werden sich gegenseitig durchpflügen und anschließend umkreisen, bis sie nach einer weiteren Milliarde Jahren zu einer elliptischen Galaxie verschmelzen.

Solche elliptischen Galaxien stellen eine der beiden wichtigsten Galaxientypen dar. Im Gegensatz zu den quirligen Spiralgalaxien, in denen sich oft aktive Sternentstehungsgebiete befinden, gleichen elliptische Galaxien eher gleichförmigen Klumpen mit wenig Gas und nur einigen neuen Sternen. Seltsamerweise scheinen sich nur wenige Galaxien gerade im Wandel zu befinden; im Großen und Ganzen sind sie entweder aktiv oder ruhig. Theoretiker vermuten, dass die Kollision zweier großen Galaxien die Sternentstehung anfacht, wodurch das verfügbare Gas schnell verbraucht wird. Möglicherweise reaktiviert ein solcher Zusammenstoß aber auch die Schwarzen Löcher in den Galaxienzentren. Die dort entweichende hochenergetische Strahlung sowie Stoßwellen treiben das Gas entweder aus den Galaxien oder wirbeln und heizen es derart auf, dass sich keine Sterne mehr bilden können. So oder so, sagt Tim Heckman von der Johns Hopkins University in Baltimore, "es kann kein Gas mehr nachströmen, und die Galaxie verbraucht das noch vorhandene Gas".

Das Universum verfügt nur über eine gewisse Menge an Gas, und früher oder später – vielleicht noch einmal so lange, wie Galaxien schon existieren – werden Galaxien alles Gas in Sterne umgewandelt haben. Im Universum wird die "Sternbildung allmählich heruntergefahren", sagt Heckman, "und die Anzahl der toten Gestirne zunehmen". Kleine Sterne mit einem Zehntel der Sonnenmasse können zwar gemächlich eine Billion Jahre überdauern. Doch auch sie werden schließlich ausbrennen – und das wird es dann gewesen sein, das Ende.

Dieser Artikel erschien unter dem Titel Galaxy formation: The new Milky Way in Nature 490, S. 24–27, 2012