Hubbles Stimmgabel und die Klassifizierung der Galaxien

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• Galaxientypen
• Spiralen
• Irreguläre

Zeitgleich mit seiner Entdeckung der Cepheidensterne in Andromeda arbeitete Edwin Hubble Mitte der 1920er Jahre daran, andere Galaxien genauer zu untersuchen (obwohl es zu diesem Zeitpunkt noch üblich war, sie als Nebel zu bezeichnen). Bei der Entdeckung einer neuen Klasse von Objekten erfinden die Astronomen häufig ein Klassifizierungsschema als ersten Schritt, um diese Objekte zu verstehen. Hubble ist es zu verdanken, dass er ein Klassifizierungsschema für Galaxien entwickelt hat, das gewöhnlich als sein „Stimmgabel“-Diagramm bezeichnet wird.

Abbildung 9.2: Diagramm von Hubbles Stimmgabel-Klassifizierungsschema von Hubblesite. Dies ist ein klassischer Bildtyp, der auch heute noch von Astronomen verwendet wird, um zu zeigen, wie Galaxien klassifiziert werden. Auf der linken Seite sind vier Bilder elliptischer Galaxien zu sehen, die von nahezu kreisförmig / sphäroidal (Typ E0) bis zu sehr langgestreckt elliptisch / ellipsoid (E7) reichen. Es folgt ein Bild einer S0-Galaxie, die als Übergangsobjekt betrachtet wird, dessen Eigenschaften teilweise denen von Spiralgalaxien und teilweise denen von elliptischen Galaxien ähneln. An diesem Punkt des Diagramms gabelt sich die „Stimmgabel“-Form – mit drei Bildern von Spiralgalaxien oben und drei Bildern von Balkenspiralgalaxien unten. Je weiter man oben von Sa zu Sb zu Sc oder unten von SBa zu SBb zu SBc fortschreitet, desto weiter öffnen sich die Arme und desto weniger tritt der zentrale Bulge hervor.

Credit: Space Telescope Science Institute

Die Hubble-Stimmgabel wurde schon oft mit vielen verschiedenen Galaxienbildern reproduziert. Eine besonders detaillierte Version wurde von der Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey (SINGS) Gruppe erstellt. Die Gruppe hat einen kurzen Artikel verfasst, der ihre Arbeit beschreibt und den Sie hier lesen können. Wenn Sie dieses Bild als Poster in voller Größe für Ihr Klassenzimmer ausdrucken möchten, haben sie eine 4200×3600 TIFF-Datei zur Verfügung gestellt, die eine ausreichende Auflösung bietet.

Bei der Beobachtung von nur wenigen Galaxien, wie sie Hubble durchgeführt hat, wird deutlich, dass es eine große Vielfalt von Typen gibt. Einige sind ohne Merkmale, während andere sehr ausgeprägte Spiralarme haben. Nachstehend finden Sie Links zu einer Reihe von Bildern der verschiedenen Galaxientypen. Nachdem du dir eine Reihe verschiedener Galaxien angesehen hast, werden wir im Folgenden Hubbles Klassifizierungssystem besprechen.

Edwin Hubble klassifizierte Galaxien anhand der Typen, die Sie auf den beiden Stimmgabel-Bildern sehen, dem obigen und dem SINGS-Bild. Seine Haupttypen sind:

• Spiralen,
• Balkenspiralen,
• Elliptikale,
• und Irreguläre.

Innerhalb jeder dieser Gruppen gibt es auch Unterkategorien.

Spiralgalaxien

Eine Spiralgalaxie wird als S-Galaxie mit der Unterklassifizierung a, b oder c klassifiziert, so dass zum Beispiel M51 oben als Sb-Galaxie klassifiziert wird. Die Unterklassen werden nach der Dominanz der Bulge-Komponente der Galaxie eingeteilt. Bei Sa-Galaxien dominiert der Bulge die Galaxie, während bei Sc-Galaxien der Bulge viel kleiner ist. Dies ist auf der SINGS-Stimmgabel vermerkt.

Das Aussehen der Spiralarme ändert sich ebenfalls zwischen den Unterklassen a, b und c. In Sa-Galaxien sind die Arme eng um den Bulge gewickelt, während die Arme in Sc-Galaxien viel lockerer sind und oft klumpiger erscheinen als die glatten Arme einer Sa-Galaxie. Sb-Galaxien haben Eigenschaften, die zwischen denen von Sa- und Sc-Galaxien liegen.

Wir können edge-on Spiralgalaxien anhand des Aussehens ihres Bulges klassifizieren, auch wenn wir die Spiralarme nicht sehen können. So kann zum Beispiel die unten gezeigte Edge-on-Spiralgalaxie M104 – die Sombrero-Galaxie – als eine Sa-Galaxie klassifiziert werden.

Abbildung 9.3: Hubble-Bild von M104, einer Sa-Spiralgalaxie, die Edge-on gesehen wird

Hier ist eine weitere Edge-on-Spiralgalaxie, NGC 4565. Können Sie erraten, welchem Typ sie zuzuordnen ist, Sa, Sb oder Sc? Was ist der offensichtlichste Unterschied zwischen NGC 4565 und M104?

Abbildung 9.4: Bodengestützte Aufnahme von NGC 4565

Credit: NOAO / AURA / NSF

Da die Milchstraße eine Spiralgalaxie ist, kann man ihre Eigenschaften als beispielhaft für Spiralgalaxien im Allgemeinen betrachten. Spiralgalaxien wie die Milchstraße enthalten oft große Mengen an Gas und Staub, und da sie viel Gas enthalten, finden sich auch viele junge Sterne und Sternentstehungsgebiete. Die Farben von Spiralgalaxien variieren von Ort zu Ort innerhalb der Galaxie, aber wegen der Anwesenheit von O&B-Sternen in diesen Galaxien tendieren ihre Gesamtfarben zum blauen Ende des Spektrums.

Barred Spirals

In einigen Spiralgalaxien hat der Bulge einen gut definierten BAR, der durch den Bulge verläuft. Hubble klassifizierte diese Galaxien als SB-Galaxien mit den Unterklassen a, b und c, genau wie die normalen Spiralen. Die Spiralarme in Balkenspiralen scheinen ihren Ursprung an den Enden des Balkens zu haben und nicht im Bulge, wie bei normalen Spiralen. Wir glauben, dass die Milchstraße eine Balkenspirale ist, vielleicht ein SBb- oder SBc-Typ. Die schematische Abbildung der Milchstraße, die du in einer früheren Lektion untersucht hast, zeigt den Milchstraßenbalken. Abgesehen vom Vorhandensein des Balkens sind die Eigenschaften von Balkenspiralgalaxien normalen Spiralgalaxien sehr ähnlich.

Elliptische Galaxien

Elliptische Galaxien (Typ E in Hubbles Schema) sind eigenschaftslose Galaxien, die nur wie ein Ball aus Sternen aussehen. Sie haben auch keine offensichtlichen Staubspuren und Gaswolken, wie wir sie bei Spiralgalaxien sehen. Es gibt keine Hubble-Bilder einer elliptischen Galaxie, denn es gibt keine Merkmale zu sehen! Da es kein Gas und keinen Staub gibt, gibt es auch keine jungen Sterne oder Sternentstehungsgebiete, wie man sie in typischen elliptischen Galaxien sieht. Die Gesamtfarben und -spektren elliptischer Galaxien ähneln sehr stark denen von K-Sternen, da sie von diesen älteren, roten Sternen dominiert werden.

Den Unterklassen der elliptischen Klasse werden Nummern zugewiesen, je nachdem wie rund sie erscheinen. Die rundesten elliptischen Galaxien werden als E0-Galaxien bezeichnet, und die am meisten elliptisch geformten Galaxien, die wir beobachtet haben, werden als E7-Galaxien bezeichnet. Die numerische Bezeichnung wird durch das Verhältnis zwischen der Hauptachse (a) und der Nebenachse (b) des Objekts bestimmt. Die Elliptizität ist definiert als e = 1 – (b/a), d. h. ein Kreis hat eine Elliptizität von 0, und eine hochelliptische Galaxie mit einer Nebenachse, die 30 % der Länge ihrer Hauptachse beträgt, hat eine Elliptizität von e = 1 – (3 / 10) = 0,7. Eine E0-Galaxie hat eine Elliptizität von 0 und eine E7-Galaxie hat eine Elliptizität von 0,7. Um die Hubble-Klassifikation zu bestimmen, multipliziert man also die Elliptizität mit 10. Beachten Sie, dass unser Bild dieses Objekts, genau wie bei Spiralgalaxien, eine 2D-Projektion eines 3D-Objekts ist, so dass die Klassifizierung nur angibt, wie es von Ihrem Standpunkt aus aussieht. Betrachten Sie einen Fußball als geeignete Analogie für eine elliptische Galaxie (siehe Bild unten): Wenn Sie ihn von der Seite betrachten, wie auf dem Bild, können Sie seine elliptische Natur erkennen. Betrachtet man sie jedoch von der Spitze des Fußballs aus, so erscheint sie kreisförmig. Eine elliptische Galaxie, die uns als E0 erscheint, könnte also einem Beobachter, der in einer weit entfernten Galaxie lebt und einen anderen Blickwinkel als wir hat, als E7 erscheinen.

Abbildung 9.5: American Football

Quelle: Wikimedia

Es gibt einige Galaxien, die zwischen elliptisch und spiralförmig zu sein scheinen. Es handelt sich dabei um Scheibengalaxien mit Ausbuchtungen, die jedoch nur sehr wenig oder gar kein Gas und keinen Staub wie andere Spiralgalaxien enthalten. Ihre Scheiben weisen auch keine Anzeichen von Spiralarmen auf. Diese Galaxien werden gewöhnlich als linsenförmige Galaxien oder S0-Galaxien bezeichnet.

Unregelmäßige

Schließlich gibt es noch die Kategorie „Verschiedenes“. Alles, was so ungewöhnlich ist, dass es sich in keine der normalen Kategorien einordnen lässt, wird als irreguläre Galaxie bezeichnet. Auch in dieser Gruppe gibt es zwei Unterkategorien. Irreguläre I-Galaxien (wie die Magellanschen Wolken) scheinen eine gewisse Spiralstruktur zu haben, die jedoch unterbrochen zu sein scheint. Irreguläre II-Galaxien sind viel stärker gestört als Irr I-Galaxien und sehen so aus, als seien sie Opfer eines gewalttätigen Ereignisses geworden, das ihre ursprüngliche Form völlig zerstört hat. Es wurde festgestellt, dass viele irreguläre Galaxien viele junge Sterne enthalten und dass sie eine beträchtliche Sternentstehung erleben.

Zusammenfassend…

An dieser Stelle sollte angemerkt werden, dass die Klassifizierung von Galaxien kein sehr präzises Unterfangen ist. Wenn Sie einige der oben genannten Galaxien näher untersuchen, werden Sie feststellen, dass es für ein und dasselbe Objekt eine Vielzahl von Klassifizierungen gibt. M81 zum Beispiel kann als Sa oder Sb bezeichnet werden. Je nach Art der Beobachtung (z. B. optische Beobachtung vs. Infrarotbeobachtung) kann eine Balkenspirale auf einem Bild einen auffälligen Balken aufweisen, während er auf einem anderen Bild fast nicht zu sehen ist. Es kann also sein, dass dieselbe Galaxie als Sb oder SBb klassifiziert wird, je nachdem, wie sie beobachtet wurde.

Es gibt noch viele andere Eigenschaften von Galaxien, die wir im Detail erörtern können, aber um unsere Diskussion über normale Galaxien abzuschließen, sollten wir kurz auf die Größe typischer Galaxien eingehen. Unter den Spiralgalaxien und Balkenspiralen gibt es ein vernünftiges Maß an Einheitlichkeit. Einige Spiralgalaxien, wie M33, sind messbar kleiner als andere, wie M31, die etwa viermal so groß ist. Im Allgemeinen sind die Unterschiede jedoch gering. Innerhalb der Klasse der elliptischen Galaxien gibt es jedoch eine viel größere Bandbreite an Größen. Einige Galaxien werden als elliptische Zwerggalaxien bezeichnet, weil sie viele der Eigenschaften elliptischer Galaxien aufweisen, aber deutlich kleiner und weniger massereich sind. NGC 205 ist ein Beispiel dafür. Wenn wir eine Zählung der Galaxien im Universum vornehmen, zeigt sich, dass die elliptischen Zwerggalaxien zahlenmäßig die häufigste Art von Galaxien im Universum sind.