Wie viele Galaxien gibt es?

Galaxien — diese riesigen Ansammlungen von Sternen, die unser Universum bevölkern — sind überall. Wie viele Galaxien gibt es im Universum? Sie zu zählen scheint eine unmögliche Aufgabe zu sein. Schiere Zahlen sind ein Problem – sobald die Zählung in die Milliarden geht, dauert es eine Weile, bis die Addition erfolgt. Ein weiteres Problem ist die Einschränkung unserer Instrumente. Um die beste Sicht zu erhalten, muss ein Teleskop eine große Öffnung (den Durchmesser des Hauptspiegels oder der Linse) haben und sich über der Atmosphäre befinden, um Verzerrungen durch die Erdluft zu vermeiden.Das vielleicht resonanteste Beispiel für diese Tatsache ist das Hubble eXtreme Deep Field (XDF), ein Bild, das durch die Kombination von 10 Jahren Fotos vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurde. Das Teleskop beobachtete bei wiederholten Besuchen insgesamt 50 Tage lang einen kleinen Teil des Himmels, so die NASA. Wenn Sie Ihren Daumen auf Armlänge halten, um den Mond zu bedecken, wäre der XDF-Bereich ungefähr so groß wie der Kopf eines Stiftes. Durch das Sammeln von schwachem Licht über viele Stunden der Beobachtung enthüllte das XDF Tausende von Galaxien, sowohl in der Nähe als auch sehr weit entfernt, was es zum tiefsten Bild des Universums machte, das jemals zu dieser Zeit aufgenommen wurde. Wenn also dieser einzelne kleine Fleck Tausende enthält, stellen Sie sich vor, wie viele weitere Galaxien an anderen Stellen gefunden werden könnten.Während Schätzungen unter verschiedenen Experten variieren, liegt ein akzeptabler Bereich zwischen 100 Milliarden und 200 Milliarden Galaxien, sagte Mario Livio, Astrophysiker am Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. Wenn das James Webb Space Telescope im Jahr 2020 startet, wird erwartet, dass das Observatorium noch mehr Informationen über frühe Galaxien im Universum enthüllt.

In die Tiefe gehen

Nach bestem Wissen von Livio ist Hubble das beste verfügbare Instrument für das Zählen und Schätzen von Galaxien. Das 1990 gestartete Teleskop hatte zunächst eine Verzerrung am Hauptspiegel, die bei einem Shuttle-Besuch 1993 korrigiert wurde. Hubble durchlief auch mehrere Upgrades und Servicebesuche bis zur letzten Shuttle-Mission im Mai 2009.

1995 richteten Astronomen das Teleskop auf eine scheinbar leere Region von Ursa Major und sammelten Beobachtungen im Wert von 10 Tagen. Das Ergebnis waren schätzungsweise 3.000 schwache Galaxien in einem einzigen Bild, die bis zur 30. (Zum Vergleich: Der Nordstern oder Polaris liegt bei etwa 2. Magnitude. Dieses Bildkomposit wurde Hubble Deep Field genannt und war das am weitesten entfernte, das jemand zu dieser Zeit ins Universum gesehen hatte. Als das Hubble-Teleskop Verbesserungen an seinen Instrumenten erhielt, wiederholten die Astronomen das Experiment zweimal. In den Jahren 2003 und 2004 schufen Wissenschaftler das Hubble Ultra Deep Field, das in einer Belichtung von einer Million Sekunden etwa 10.000 Galaxien an einem kleinen Ort im Sternbild Fornax enthüllte.

Im Jahr 2012 nutzten die Wissenschaftler das Teleskop erneut, um einen Teil des Ultra Deep Field zu untersuchen. Selbst in diesem engeren Sichtfeld konnten Astronomen etwa 5.500 Galaxien nachweisen. Die Forscher nannten dies das extreme Deep Field.Alles in allem zeigt Hubble schätzungsweise 100 Milliarden Galaxien im Universum, aber diese Zahl wird wahrscheinlich auf etwa 200 Milliarden ansteigen, wenn sich die Teleskoptechnologie im Weltraum verbessert, sagte Livio Space.com.

Sterne zählen

Unabhängig davon, welches Instrument verwendet wird, ist die Methode zur Schätzung der Anzahl der Galaxien dieselbe. Sie nehmen den vom Teleskop abgebildeten Teil des Himmels (in diesem Fall Hubble). Dann können Sie — unter Verwendung des Verhältnisses des Himmelsbandes zum gesamten Universum — die Anzahl der Galaxien im Universum bestimmen.“Dies setzt voraus, dass es keine große kosmische Varianz gibt, dass das Universum homogen ist“, sagte Livio. „Wir haben gute Gründe zu vermuten, dass dies der Fall ist. Das ist das kosmologische Prinzip.“

Das Prinzip geht auf Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zurück. Einstein sagte, dass die Schwerkraft eine Verzerrung von Raum und Zeit ist. Mit diesem Verständnis versuchten mehrere Wissenschaftler (einschließlich Einstein) zu verstehen, wie sich die Schwerkraft auf das gesamte Universum auswirkte.“Die einfachste Annahme ist, dass, wenn Sie den Inhalt des Universums mit ausreichend schlechter Sicht betrachten, es überall und in jede Richtung ungefähr gleich erscheinen würde“, erklärte die NASA. „Das heißt, die Materie im Universum ist homogen und isotrop, wenn sie über sehr große Skalen gemittelt wird. Dies nennt man das kosmologische Prinzip.“Ein Beispiel für das kosmologische Prinzip bei der Arbeit ist der kosmische Mikrowellenhintergrund, Strahlung, die ein Überbleibsel der frühen Stadien des Universums nach dem Urknall ist. Mit Instrumenten wie der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe der NASA haben Astronomen herausgefunden, dass das CMB praktisch identisch ist, wo immer man hinschaut.

Würde sich die Anzahl der Galaxien mit der Zeit ändern?

Messungen der Expansion des Universums — durch Beobachtung von Galaxien, die von uns wegrasen — zeigen, dass es etwa 13,82 Milliarden Jahre alt ist. Wenn das Universum älter und größer wird, werden sich Galaxien jedoch immer weiter von der Erde entfernen. Dies macht es schwieriger, sie in Teleskopen zu sehen.

Das Universum expandiert schneller als die Lichtgeschwindigkeit (was nicht gegen Einsteins Geschwindigkeitsbegrenzung verstößt, da die Expansion des Universums selbst und nicht von Objekten erfolgt, die sich durch das Universum bewegen). Außerdem beschleunigt sich das Universum in seiner Expansion.

Hier kommt das Konzept des „beobachtbaren Universums“ — des Universums, das wir sehen können — ins Spiel. In 1 Billion bis 2 Billionen Jahren, sagte Livio, bedeutet dies, dass es Galaxien geben wird, die jenseits dessen liegen, was wir von der Erde aus sehen können.“Wir können nur Licht von Galaxien sehen, deren Licht genug Zeit hatte, uns zu erreichen“, sagte Livio. „Es bedeutet nicht, dass das alles ist, was es im Universum gibt. Daher die Definition des beobachtbaren Universums.“

Galaxien verändern sich auch im Laufe der Zeit. Die Milchstraße befindet sich auf Kollisionskurs mit der nahe gelegenen Andromeda-Galaxie, und beide werden in etwa 4 Milliarden Jahren verschmelzen. Später werden sich andere Galaxien in unserer lokalen Gruppe — die Galaxien, die uns am nächsten sind — schließlich verbinden. Bewohner dieser zukünftigen Galaxie hätten ein viel dunkleres Universum zu beobachten, sagte Livio.“Zivilisationen begannen dann, sie hätten keine Beweise dafür, dass es ein Universum mit 100 Milliarden Galaxien gab“, sagte er. „Sie würden die Expansion nicht sehen. Sie würden wahrscheinlich nicht in der Lage sein zu sagen, dass es einen Urknall gab.“

Was ist mit anderen Universen?

Als das frühe Universum entstand, gibt es einige Theorien, die besagen, dass verschiedene „Taschen“ wegbrachen und verschiedene Universen bildeten. Diese verschiedenen Orte könnten sich unterschiedlich schnell ausdehnen, andere Arten von Materie einschließen und andere physikalische Gesetze haben als unser eigenes Universum.

Livio wies darauf hin, dass es Galaxien in diesen anderen Universen geben könnte – wenn sie existieren – aber wir haben derzeit keine Möglichkeit, dies sicher zu wissen. Die Anzahl der Galaxien könnte also sogar größer als 200 Milliarden sein, wenn man andere Universen betrachtet.

In unserem eigenen Kosmos, sagte Livio, werden Astronomen besser in der Lage sein, die Zahl nach dem Start des James Webb Space Telescope zu verfeinern (für die sein Institut den Missionsbetrieb und die Wissenschaft verwalten wird). Hubble ist in der Lage, auf Galaxien zurückzublicken, die sich etwa 450 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben. Nach dem Start von James Webb im Jahr 2020 erwarten Astronomen, dass sie bis zu 200 Millionen Jahre nach dem Urknall zurückblicken können.

„Die Zahlen werden sich nicht viel ändern“, fügte Livio hinzu und wies darauf hin, dass sich die ersten Galaxien wahrscheinlich nicht allzu lange zuvor gebildet hätten. „Also eine Zahl wie 200 Milliarden ist es wahrscheinlich für unser beobachtbares Universum.“

Webbs Beiträge

Während es interessant ist, die Anzahl der Galaxien in unserem Universum zu zählen, interessieren sich Astronomen mehr dafür, wie Galaxien zeigen, wie das Universum entstanden ist. Laut NASA sind Galaxien eine Darstellung der Organisation der Materie im Universum – zumindest im großen Maßstab. (Wissenschaftler interessieren sich auch für Teilchentypen und Quantenmechanik auf der kleinen Seite des Spektrums. Da Webb auf die frühen Tage des Universums zurückblicken kann, werden seine Informationen Wissenschaftlern helfen, die Strukturen der Galaxien um uns herum heute besser zu verstehen.

„Indem wir einige der frühesten Galaxien studieren und sie mit heutigen Galaxien vergleichen, können wir möglicherweise ihr Wachstum und ihre Entwicklung verstehen. Webb wird es Wissenschaftlern auch ermöglichen, Daten über die Arten von Sternen zu sammeln, die in diesen sehr frühen Galaxien existierten „, sagte die NASA über Webbs Mission. „Nachfolgende Beobachtungen mit Hilfe der Spektroskopie von Hunderten oder Tausenden von Galaxien werden den Forschern helfen zu verstehen, wie Elemente, die schwerer als Wasserstoff sind, während der Galaxienbildung im Laufe der Jahrhunderte gebildet und aufgebaut wurden. Diese Studien werden auch Details über verschmelzende Galaxien enthüllen und den Prozess der Galaxienbildung selbst beleuchten.“

Laut NASA sind hier einige der Schlüsselfragen, die Webb über Galaxien beantworten wird:

  • Wie entstehen Galaxien?
  • Was gibt ihnen ihre Formen?
  • Wie sind die chemischen Elemente in den Galaxien verteilt?
  • Wie beeinflussen die zentralen Schwarzen Löcher in Galaxien ihre Wirtsgalaxien?
  • Was passiert, wenn kleine und große Galaxien kollidieren oder sich zusammenschließen?

Wissenschaftler interessieren sich auch für die Rolle, die dunkle Materie beim Aufbau von Galaxien spielt. Während ein Teil des Universums in Formen wie Galaxien oder Sternen sichtbar ist, macht dunkle Materie den größten Teil des Universums aus — etwa 80 Prozent davon. Während dunkle Materie in Wellenlängen des Lichts oder durch Energieemissionen unsichtbar ist, zeigten Studien von Galaxien aus den 1950er Jahren, dass in ihnen weit mehr Masse vorhanden war als mit bloßem Auge sichtbar.“Computermodelle, die Wissenschaftler erstellt haben, um die Galaxienbildung zu verstehen, deuten darauf hin, dass Galaxien entstehen, wenn dunkle Materie verschmilzt und zusammenklumpt“, sagte die NASA. „Es kann als das Gerüst des Universums betrachtet werden. Die sichtbare Materie, die wir sehen, sammelt sich in diesem Gerüst in Form von Sternen und Galaxien. Die Art und Weise, wie dunkle Materie zusammenklumpt, besteht darin, dass sich zuerst kleine Objekte bilden und zu größeren zusammengezogen werden.“Webbs leistungsstarke Spiegel werden es Wissenschaftlern ermöglichen, die Galaxienentstehung — einschließlich der Rolle der dunklen Materie — aus nächster Nähe zu betrachten. Während diese Untersuchung nicht direkt beantwortet, wie viele Galaxien es im Universum gibt, hilft sie Wissenschaftlern, die Prozesse hinter den Galaxien, die wir sehen, besser zu verstehen, was wiederum Modelle über galaktische Populationen besser informiert.

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