Gewaltige Inseln aus Sternen, Gas, Staub und Dunkler Materie — die Bausteine, aus denen das großräumige Universum zusammengesetzt ist. Von der ruhigen Spirale bis zum lichtstärksten Objekt des Kosmos.
Eine Galaxie ist ein gravitativ gebundenes System aus Sternen, Gas, Staub und — der weit überwiegenden Massenkomponente — Dunkler Materie. Die Größenordnungen sind kaum greifbar: Unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, hat einen Durchmesser von rund 100.000 Lichtjahren und enthält schätzungsweise 100 bis 400 Milliarden Sterne. Im gesamten beobachtbaren Universum reichen aktuelle Schätzungen — gestützt auf tiefe Aufnahmen von Hubble- und James-Webb-Weltraumteleskop — von mehreren hundert Milliarden bis zu rund zwei Billionen Galaxien, je nach Zählmethode, von gigantischen elliptischen Riesen mit mehreren Billionen Sternen bis zu Zwerggalaxien mit nur wenigen Millionen. Galaxien treten dabei selten allein auf: Sie gruppieren sich zu Gruppen, Haufen und Superhaufen entlang eines filamentartigen kosmischen Netzes — der größten bekannten Struktur im Universum.
Die geschätzte Massenverteilung der Milchstraße zeigt ein Muster, das für die meisten Galaxien typisch ist: Das leuchtende, direkt sichtbare Material — Sterne, Gas und Staub — macht nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtmasse aus. Den Rest liefert eine unsichtbare Komponente, deren Existenz sich allein aus ihrer Gravitationswirkung erschließt: aus Rotationskurven von Galaxien, die schneller rotieren, als ihre sichtbare Masse erlauben würde. Ohne diesen zusätzlichen gravitativen "Kleber" würden sich viele Galaxien schlicht nicht halten können.
1926 schlug Edwin Hubble ein Ordnungsschema vor, das bis heute — mit Erweiterungen — der Standard der Galaxienmorphologie ist: das "Stimmgabel-Diagramm". Es sortiert Galaxien allein nach ihrer visuellen Erscheinung, nicht nach ihrem Alter oder ihrer physikalischen Entwicklung. Hubble selbst vermutete zunächst eine evolutionäre Sequenz von links (elliptisch) nach rechts (spiralförmig) — diese Annahme gilt heute als widerlegt. Die Klassifikation bleibt trotzdem nützlich, weil sie mit realen physikalischen Größen korreliert: Gasgehalt, Sternentstehungsrate und Bulge-zu-Scheibe-Verhältnis.
Die abstrakte Klassifikation wird greifbar an konkreten Beispielen. Vier Galaxien zeigen die Bandbreite dessen, was unter dem Begriff "Galaxie" zusammengefasst wird — von der eigenen kosmischen Heimat bis zu einem der massereichsten bekannten supermassiven Schwarzen Löcher.
Unsere eigene Galaxie — von innen betrachtet, daher schwerer zu kartieren als entfernte Galaxien. Ein zentraler Balken kanalisiert Gas zum Kern, von dem aus Spiralarme wie der Perseus- und der Sagittarius-Arm ausgehen. Die Sonne liegt in einem kleineren Nebenarm, dem Orion-Arm.
Die nächste große Spiralgalaxie und mit blindem Auge sichtbar — ein schwacher Nebelfleck im Sternbild Andromeda. Größer im Durchmesser als die Milchstraße, wenn auch mit vergleichbarer Gesamtmasse. Sie nähert sich uns blauverschoben mit rund 110 km/s: der Beginn einer künftigen Kollision.
Eine gigantische elliptische Galaxie im Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens. Ihr supermassives Schwarzes Loch war 2019 das erste, das direkt abgebildet wurde — der berühmte "Feuerring" des Event Horizon Telescope. Ein relativistischer Materiejet schießt tausende Lichtjahre weit ins All.
Eine Satellitengalaxie der Milchstraße, am Südhimmel mit blindem Auge sichtbar. Ohne geordnete Spiral- oder Ellipsenstruktur, aber reich an Gas und Sternentstehung — sie beherbergt den Tarantelnebel, eine der aktivsten Sternentstehungsregionen der lokalen Umgebung.
Die Milchstraße besteht aus drei großen Struktureinheiten. Der zentrale Bulge ist eine dichte, annähernd kugelförmige Ansammlung überwiegend alter Sterne. Umgeben ist er von der flachen, rotierenden Scheibe, in der die Spiralarme liegen — hier findet praktisch die gesamte aktive Sternentstehung statt, angetrieben durch Gas und Staub. Den äußeren Rahmen bildet der Halo: eine kugelförmige, spärlich mit alten Sternen und Kugelsternhaufen besetzte Region, die zugleich das Reservoir der Dunklen Materie enthält und weit über die sichtbare Scheibe hinausreicht.
Die Sonne umkreist das galaktische Zentrum in etwa 27.000 Lichtjahren Entfernung, eingebettet im Orion-Arm — einer eher kleinen Verzweigung zwischen dem massereicheren Perseus- und dem Sagittarius-Arm. Mit einer Bahngeschwindigkeit von rund 220–240 km/s benötigt sie für einen vollständigen Umlauf, ein sogenanntes galaktisches Jahr, etwa 225 bis 250 Millionen Jahre. Seit ihrer Entstehung hat die Sonne demnach erst etwa 20 solcher Umläufe vollendet.
Im Zentrum der Milchstraße sitzt ein supermassives Schwarzes Loch, Sagittarius A*, mit rund 4,3 Millionen Sonnenmassen. Seine Existenz und Masse wurden nicht direkt beobachtet, sondern über Jahrzehnte aus den Bahnen einzelner Sterne rekonstruiert, die den unsichtbaren Punkt in extrem engen, schnellen Ellipsen umkreisen. Reinhard Genzel und Andrea Ghez erhielten dafür 2020 den Nobelpreis für Physik. 2022 gelang dem Event Horizon Telescope zudem die erste direkte Abbildung des Schattens von Sagittarius A*.
Galaxien sind keine isolierten, statischen Objekte — auf kosmischen Zeitskalen kollidieren, verschmelzen und verformen sie sich gegenseitig. Nähern sich zwei Galaxien an, wirken Gezeitenkräfte: Der nähere Rand einer Galaxie wird stärker angezogen als der fernere, was lange, ausgedehnte "Gezeitenschweife" aus Sternen und Gas herausreißt. Komprimiert und verdichtet sich dabei interstellares Gas, kann dies gewaltige Sternentstehungsschübe auslösen — sogenannte Starbursts, in denen eine Galaxie binnen wenigen Millionen Jahren tausende neuer Sterne bildet. Sterne selbst kollidieren dabei kaum direkt — der Raum zwischen ihnen ist selbst innerhalb einer Galaxie gewaltig; betroffen sind vor allem Gas, Staub und die großräumige Struktur.
Fast jede massereiche Galaxie beherbergt in ihrem Zentrum ein supermassives Schwarzes Loch — die meisten davon, wie Sagittarius A*, sind heute weitgehend inaktiv, weil ihnen kaum Material zufließt. Fällt jedoch Gas in ausreichender Menge in Richtung des Schwarzen Lochs, bildet sich eine Akkretionsscheibe: Material erhitzt sich durch Reibung auf Millionen Grad und strahlt gewaltige Energiemengen ab — deutlich effizienter als jede bekannte Kernfusion. Ein Teil dieser Energie wird zusätzlich über relativistische Jets entlang der Rotationsachse ins All geschleudert, angetrieben durch das starke Magnetfeld im Umfeld des Schwarzen Lochs. Solche Zentren heißen aktive Galaxienkerne (AGN).
Quasare sind die leuchtstärkste Erscheinungsform aktiver Galaxienkerne: Sie können mehr Energie abstrahlen als alle Sterne ihrer Wirtsgalaxie zusammen und übertreffen damit selbst die gesamte Galaxie an Helligkeit — obwohl die zentrale Strahlungsquelle nur wenige Lichtstunden groß ist. Quasare treten überwiegend im frühen Universum auf, als noch reichlich Gas für die Fütterung der Schwarzen Löcher vorhanden war, und dienen Astronomen heute als extrem entfernte "Leuchtfeuer", um die Struktur des jungen Kosmos zu vermessen.
2024 wurde der Quasar J0529-4351 als hellstes bislang bekanntes Objekt des Universums bestätigt. Sein zentrales Schwarzes Loch verschlingt Material in einem Tempo, das einer Sonnenmasse pro Tag entspricht — die zugehörige Akkretionsscheibe ist damit heller als 500 Billionen Sonnen. Trotz jahrzehntelanger Himmelsdurchmusterungen wurde das Objekt lange übersehen, weil es einem gewöhnlichen Stern täuschend ähnlich erschien.
Ein paar Größenordnungen und Beobachtungen, die zeigen, wie ungewöhnlich unser Bild des galaktischen Universums tatsächlich ist.
Relativ zum kosmischen Mikrowellenhintergrund — dem nächstmöglichen Bezugssystem zum "Ruhesystem" des Universums — bewegt sich die Milchstraße mit etwa 600 bis 630 km/s. Ursache ist die gemeinsame gravitative Anziehung ferner Massenkonzentrationen, darunter der sogenannte "Große Attraktor" im Sternbild Centaurus. Selbst innerhalb eines scheinbar stillstehenden Universums ist unsere kosmische Heimat also alles andere als ruhig.
Als das Hubble-Weltraumteleskop 1995 zehn Tage lang eine winzige, scheinbar leere Himmelsregion — kleiner als ein Sandkorn auf Armlänge betrachtet — belichtete, zeigte das resultierende "Hubble Deep Field" mehr als 3.000 Galaxien. Das James-Webb-Weltraumteleskop hat diese Tiefe seither noch einmal deutlich übertroffen und Galaxien aus den ersten paar hundert Millionen Jahren nach dem Urknall sichtbar gemacht.
Zwerggalaxien — klein, lichtschwach, oft ohne markante Struktur — sind bei weitem die häufigste Galaxienform im Universum. Allein um die Milchstraße herum sind mittlerweile mehrere Dutzend solcher Begleitgalaxien bekannt, viele davon erst durch immer empfindlichere Himmelsdurchmusterungen entdeckt. Auffällige Spiralen und Ellipsen wie in dieser Übersicht sind Ausnahmen, nicht die Regel.
Massereiche Galaxienhaufen krümmen die Raumzeit so stark, dass sie das Licht weiter entfernter Hintergrundobjekte messbar ablenken — sichtbar als verzerrte Bögen oder mehrfach abgebildete Galaxien. Dieser Gravitationslinseneffekt liefert eines der stärksten Indizien für Dunkle Materie, deren Verteilung sich damit sogar kartieren lässt. Mehr dazu auf der Seite Dunkle Materie & Energie.