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<blockquote data-quote="H2SO4" data-source="post: 91605" data-attributes="member: 2506"><p>Es wird wohl nicht häufig vorkommen, dass ein Stern einsam irgendwo im All steht. Solche Eremiten findet man höchstens dann, wenn einzelne Sterne bei Begegnungen von Sternsystemen aus dem Verbund heraus gerissen werden. Sternentstehung kann nicht im freien, fast materielosen Kosmos stattfinden, sondern immer nur in großen Materieansammlungen. Diese Strukturen bezeichnen wir als Galaxien, wobei eine einzelne Galaxie aus rund 10 bis 300 Milliarden Sternen oder sogar noch mehr besteht.</p><p></p><p>Eine Galaxie beinhaltet nun nicht nur Sterne mit ihren Planeten, Monden und anderen Himmelskörpern. Sie enthält zunächst den Grundbaustoff aller Sterne, Wasserstoff- und Heliumgas in großen Materieansammlungen. Das sind wirklich riesige Gaswolken, die ebenso wie der ganze übrige interstellare Raum mit den "Ausscheidungen" der Sterne angereichert werden (durch den Sternwind und abgestoßene Sternhüllen). Diese Interstellare Materie dient wiederum der Bildung neuer Sterne.</p><p></p><p>M 83Durch Messung der Bewegungen der Sterne oder von Gaswolken innerhalb der Galaxien hat man darüber hinaus ermittelt, dass sich außerhalb derselben noch in Form eines Halos ungeheuer große, unsichtbare Materieansammlungen befinden müssen, die so genannte Dunkle Materie. Im Zentrum einer Galaxie, dem Kern, auch als Bauch oder englisch bulge bezeichnet, stehen die Sterne relativ dicht gedrängt beieinander, weshalb diese Region auch die leuchtkräftigste ist (dafür kann es auch andere Gründe geben, siehe weiter unten). Je nach Galaxientyp dehnen sich mehr oder weniger ausgeprägte Spiralarme oder Balken vom bulge aus, in denen die einzelnen Sterne deutlich weiträumiger stehen. Hier der schematische Aufbau am Beispiel der Spiralgalaxie M 83.</p><p></p><p>Doch auch die Galaxien sind nur Teil eines übergeordneten Systems, denn sie bilden mehr oder weniger große Galaxienhaufen, Cluster genannt, das können Ansammlungen von einer Handvoll, bis hin zu Tausenden Galaxien innerhalb eines Clusters sein. Und, um noch eins draufzulegen, vereinen sich die Cluster zu den größten bekannten Strukturen, den Superclustern, zu denen sich wiederum viele Haufen zusammenballen. Hier haben wir es dann mit Distanzen von Millionen von Lichtjahren zu tun.</p><p></p><p>Merkwürdig und auffällig erscheint ein Vergleich des Mikro- mit dem Makrokosmos:</p><p>Auf der einen Seite sind die Atomkerne von Elektronen umgeben, wie Sterne von ihren Planeten. Mehrere oder viele Atome bilden ein Molekül, Sterne ballen sich zu Haufen zusammen. Viele Moleküle ergeben eine Kette (z.B. die DNS) oder gar eine Zelle, während die Haufen zur Galaxie zusammenwachsen. Viele Zellen ergeben ein ... (Huhn?), die Galaxien einen Haufen, viele Hühner eine Schar und viele Galaxienhaufen einen Supercluster...</p><p></p><p>Ein solcher Vergleich hinkt allerdings etwas. Im Makrokosmos gelten die Einsteinschen Relativitätstheorien, die im Mikrokosmos völlig ihre Gültigkeut verlieren. Die kleinen Dimensionen werden ausschließlich durch die Quantentheorien beschrieben. Allerdings verdeutlicht der Vergleich, dass größere Strukturen mit einem individuellen Charakter (z.B. Atome oder Galaxien) stets aus wenigen elementaren Einheiten aufgebaut sind (Atome aus Elektronen und Quarks, Galaxien aus verschiedenen Sterntypen).</p><p></p><p>Es ist kein Zufall, dass Sterne und Galaxien nicht alleine stehen. Im Verlauf des Urknalls bildeten sich die großen Strukturen aus ausgefrorenen Fluktuationen, Schwankungen der Dichte (siehe hierzu auch weiter unten Galaxienentstehung). So ergaben sich nach einer gewissen Zeit Gebiete etwas höherer und solche mit verminderter Dichte. Die dichteren Zonen konnten nun durch gravitative Wirkung die anderen Raumgebiete immer weiter verdünnen. Sterne werden ausschließlich in großen Materieansammlungen, wie z.B. dem bekannten Orionnebel, gleich massenweise geboren. Es ist deshalb höchst unwahrscheinlich, dass irgendwo im All eine einzelne Sonne aus einer gerade hierzu ausreichenden Materiewolke gebildet wurde. Die Materiedichte im intergalaktischen Raum ist dazu viel zu gering.</p><p></p><p>Die Hickson Compact GroupEine der schönsten Aufnahmen des Hubble- Teleskops. Es stellt eine Gruppe von Galaxien dar, der sogenannten Hickson Compact Group, HCG 87. Bei der großen Galaxie im Vordergrund (HCG 87a) sieht man deutlich den Staubanteil in der Scheibe. Sie und ihre elliptische Nachbarin (HCG 87b) weisen sehr aktive Kerne auf, in denen vermutlich Schwarze Löcher Materie akkretieren. In der großen Spiralgalaxie (HCG 87c) haben wir eine Starburst- Galaxie vor uns. Alle vier Galaxien stehen so dicht beieinander, dass sie sich gegenseitig mit ihren Gezeitenkräften beeinflussen.</p><p></p><p>Galaxienentstehung</p><p></p><p>Den Ursprung aller Galaxien muss man sicherlich, wie schon angedeutet, beim Urknall suchen. Nach der Zeit der Inflation, der Teilchenbildung und der Strahlungsentkopplung müssen aus ehemals kleinsten Dichtefluktuationen, winzigsten Unterschieden des gravitativen Feldes, Strukturen entstanden sein. Aus diesen Schwankungen heraus haben sich dann unaufhaltsam die Galaxien und Strukturen bis hin zu 100 Mpc, den Superclustern (siehe weiter unten), entwickelt.</p><p>Zu Beginn waren die Fluktuationen extrem schwache, lokale Dichteschwankungen, welche im Laufe der Zeit durch Gravitationsinstabilitäten aber immer ausgeprägter wurden. In diese Zonen, in denen die allgemeine Expansion etwas verlangsamt war, konnte durch den Gravitationsüberschuss Materie aus umgebenden Gebieten angezogen werden. Die Verdichtung wurde immer stärker und irgendwann kollabierte die Materiewolke zu Galaxien oder, bei genügender Masse, zu Galaxienhaufen.</p><p></p><p>Am Anfang wurde das Wachstum der Fluktuationen durch die Strahlung stark beeinflusst. Auf jedes Atom kamen damals 3 Milliarden Photonen, die Energiedichte war also noch viel höher als die Massedichte. In den ersten 10 000 Jahren wurde deshalb die Ausbildung von deutlichen Strukturen unterdrückt. Das änderte sich erst, als die Massedichte durch zunehmenden Materieanteil immer größer wurde. Nun gab es zwei Möglichkeiten der Entwicklung: entweder die Bildung großer, massereicher Strukturen wie Galaxienhaufen, die später zerfallen, oder es bildeten sich Zwerggalaxien, die dann durch gravitative Einflüsse immer massereicher wurden und sich schließlich zu den großräumigen Strukturen zusammenballten.</p><p></p><p>Galaxienpaar ARP 87Wie sehr sich Galaxien gegenseitig beeinflussen können zeigt in beeindruckender Weise diese Hubble- Aufnahme des Galaxienpaars Arp 87. In 300 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Löwe gelegen, vollführen beide Sternsysteme einen komplizierten Tanz umeinander unter der Choreografie der Gravitation. Beide Galaxien beinhalten eine riesige Anzahl an Sternen und sie stehen hier stellvertretend für Hunderte von bekannten Galaxienpaaren, die in der näheren kosmischen Umgebung beheimatet sind und sich gegenseitig beeinflussen oder gar miteinander verschmelzen.</p><p></p><p>Begegnungen zwischen Galaxien finden damit auch heute noch statt. In der Jugend unseres Universums aber waren sie noch viel häufiger, weil der Kosmos deutlich kleiner und deswegen die Materiedichte viel höher war. </p><p></p><p>Top- down- Modell</p><p></p><p>Wie gesagt konnten die Fluktuationen in den ersten 10 000 Jahren nicht anwachsen. Sie bestanden aus einem Gemisch komprimierter Strahlung und Materie. Strahlung kann man aber nicht in Materie einschließen, sie versucht sich stets abzukoppeln, wobei sie aber Materie mit sich zieht. Beherrscht wird das System von heißen Neutrinos, welche sich abzutrennen versuchen. Durch diesen Effekt wurden die Fluktuationen geglättet. Man kann sich das in etwa so vorstellen, wenn man Öl auf eine stark bewegte Wasserfläche gießt. Die vorher großen Wellenberge (Fluktuationen) werden durch das Öl erst gebrochen, dann geglättet. Zur Homogenisierung der großräumigen Fluktuationen reicht allerdings die Zeit der Entkopplung nicht aus. Sie überleben, und nach 380 000 Jahren, der Entkopplungsära, existieren nur noch Fluktuationen von 1015 Sonnenmassen, das sind Galaxienhaufen. Diese Strukturen sammeln weiter Materie an, bis sie irgendwann kollabieren und zu Galaxien zerfallen. Dieses Modell der Entwicklung von großen zu kleinen Strukturen hin nennt man das top- down- Modell, von oben nach unten.</p><p></p><p>Bottom- up- Modell</p><p></p><p>Viele der beobachteten Galaxienhaufen scheinen sich auch heute noch weiter zu entwickeln und zu wachsen, weshalb dieser Umstand gegen das top- down- Modell spricht. Vielmehr haben sich wohl zuerst unzählige kleinste Galaxien gebildet, welche dann durch Materiezuwachs immer größere Strukturen prägten- eben eine Entwicklung von unten nach oben, bottom- up.</p><p></p><p>n einer Kombination aus Untersuchungen von Hubbles Ultra Deep Field (HUDF), Aufnahmen der Infrarotkameras des Spitzer Weltraumlabors sowie dem Infrarotspektrometer der Europäischen Südsternwarte wurden einige der kleinsten, lichtschwächsten und gleichzeitig kompaktesten Galaxien im frühen Universum (etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall) entdeckt. Diese Galaxien sind mindestens Hundert bis Tausend Mal kleiner als die Milchstraße und ein schlagkräftiger Beweis für das Bottom- up- Modell. Man kann sie als Bausteine bezeichnen, aus denen die späteren, großen Galaxien im Laufe der kosmischen Entwicklung zusammengesetzt werden. Erstaunlich ist, dass Hubble in diesen Galaxien blaue, also junge und heiße Sterne entdeckte, die gerade dabei sind, die beim Urknall erzeugten Gase Wasserstoff und Helium in schwerere Elemente zu verwandeln. Untersuchungen des Spitzer- Teleskops zeigten dagegen die Abwesenheit von im Infrarotbereich strahlenden, also alten Sternen. Wir haben es also tatsächlich mit sehr jungen Galaxien der ersten Generationen zu tun.</p><p>Die Galaxien sind z.T. etwas in die Länge gezogen (siehe Vergrößerungen), was darauf hinweist, dass sie bereits mit anderen wechselwirken. Die Zahlen unten geben die gemessenen Rotverschiebungen wieder.</p><p></p><p>Mit freundlicher Genemigung von NASA, ESA, und N. Pirzkal (STScI/ESA)</p><p></p><p>Wie bereits oben angedeutet, bilden sich Fluktuationen in den ersten 10 000 Jahren aus, als der Kosmos bereits von der Materie beherrscht wird. Die Strahlung bleibt aber noch 370 000 Jahre an die Materie gekoppelt. Bis zu dieser Zeit, wahrscheinlich aber schon mit Entstehung der Materie, hat sich ein bestimmter Anteil Dunkler Materie gebildet, welcher außer gravitativer keine weitere Wechselwirkung mit der Strahlung hat. Fluktuationen werden deshalb bei der Entkopplung nicht geglättet. Auf die Dunkle Materie ausgeübter thermischer Druck bleibt ebenso wirkungslos, der Gravitation dieser Strukturen steht nichts entgegen. Deshalb können sich Fluktuationen aus viel kleineren Dichteschwankungen heraus entwickeln.</p></blockquote><p></p>
[QUOTE="H2SO4, post: 91605, member: 2506"] Es wird wohl nicht häufig vorkommen, dass ein Stern einsam irgendwo im All steht. Solche Eremiten findet man höchstens dann, wenn einzelne Sterne bei Begegnungen von Sternsystemen aus dem Verbund heraus gerissen werden. Sternentstehung kann nicht im freien, fast materielosen Kosmos stattfinden, sondern immer nur in großen Materieansammlungen. Diese Strukturen bezeichnen wir als Galaxien, wobei eine einzelne Galaxie aus rund 10 bis 300 Milliarden Sternen oder sogar noch mehr besteht. Eine Galaxie beinhaltet nun nicht nur Sterne mit ihren Planeten, Monden und anderen Himmelskörpern. Sie enthält zunächst den Grundbaustoff aller Sterne, Wasserstoff- und Heliumgas in großen Materieansammlungen. Das sind wirklich riesige Gaswolken, die ebenso wie der ganze übrige interstellare Raum mit den "Ausscheidungen" der Sterne angereichert werden (durch den Sternwind und abgestoßene Sternhüllen). Diese Interstellare Materie dient wiederum der Bildung neuer Sterne. M 83Durch Messung der Bewegungen der Sterne oder von Gaswolken innerhalb der Galaxien hat man darüber hinaus ermittelt, dass sich außerhalb derselben noch in Form eines Halos ungeheuer große, unsichtbare Materieansammlungen befinden müssen, die so genannte Dunkle Materie. Im Zentrum einer Galaxie, dem Kern, auch als Bauch oder englisch bulge bezeichnet, stehen die Sterne relativ dicht gedrängt beieinander, weshalb diese Region auch die leuchtkräftigste ist (dafür kann es auch andere Gründe geben, siehe weiter unten). Je nach Galaxientyp dehnen sich mehr oder weniger ausgeprägte Spiralarme oder Balken vom bulge aus, in denen die einzelnen Sterne deutlich weiträumiger stehen. Hier der schematische Aufbau am Beispiel der Spiralgalaxie M 83. Doch auch die Galaxien sind nur Teil eines übergeordneten Systems, denn sie bilden mehr oder weniger große Galaxienhaufen, Cluster genannt, das können Ansammlungen von einer Handvoll, bis hin zu Tausenden Galaxien innerhalb eines Clusters sein. Und, um noch eins draufzulegen, vereinen sich die Cluster zu den größten bekannten Strukturen, den Superclustern, zu denen sich wiederum viele Haufen zusammenballen. Hier haben wir es dann mit Distanzen von Millionen von Lichtjahren zu tun. Merkwürdig und auffällig erscheint ein Vergleich des Mikro- mit dem Makrokosmos: Auf der einen Seite sind die Atomkerne von Elektronen umgeben, wie Sterne von ihren Planeten. Mehrere oder viele Atome bilden ein Molekül, Sterne ballen sich zu Haufen zusammen. Viele Moleküle ergeben eine Kette (z.B. die DNS) oder gar eine Zelle, während die Haufen zur Galaxie zusammenwachsen. Viele Zellen ergeben ein ... (Huhn?), die Galaxien einen Haufen, viele Hühner eine Schar und viele Galaxienhaufen einen Supercluster... Ein solcher Vergleich hinkt allerdings etwas. Im Makrokosmos gelten die Einsteinschen Relativitätstheorien, die im Mikrokosmos völlig ihre Gültigkeut verlieren. Die kleinen Dimensionen werden ausschließlich durch die Quantentheorien beschrieben. Allerdings verdeutlicht der Vergleich, dass größere Strukturen mit einem individuellen Charakter (z.B. Atome oder Galaxien) stets aus wenigen elementaren Einheiten aufgebaut sind (Atome aus Elektronen und Quarks, Galaxien aus verschiedenen Sterntypen). Es ist kein Zufall, dass Sterne und Galaxien nicht alleine stehen. Im Verlauf des Urknalls bildeten sich die großen Strukturen aus ausgefrorenen Fluktuationen, Schwankungen der Dichte (siehe hierzu auch weiter unten Galaxienentstehung). So ergaben sich nach einer gewissen Zeit Gebiete etwas höherer und solche mit verminderter Dichte. Die dichteren Zonen konnten nun durch gravitative Wirkung die anderen Raumgebiete immer weiter verdünnen. Sterne werden ausschließlich in großen Materieansammlungen, wie z.B. dem bekannten Orionnebel, gleich massenweise geboren. Es ist deshalb höchst unwahrscheinlich, dass irgendwo im All eine einzelne Sonne aus einer gerade hierzu ausreichenden Materiewolke gebildet wurde. Die Materiedichte im intergalaktischen Raum ist dazu viel zu gering. Die Hickson Compact GroupEine der schönsten Aufnahmen des Hubble- Teleskops. Es stellt eine Gruppe von Galaxien dar, der sogenannten Hickson Compact Group, HCG 87. Bei der großen Galaxie im Vordergrund (HCG 87a) sieht man deutlich den Staubanteil in der Scheibe. Sie und ihre elliptische Nachbarin (HCG 87b) weisen sehr aktive Kerne auf, in denen vermutlich Schwarze Löcher Materie akkretieren. In der großen Spiralgalaxie (HCG 87c) haben wir eine Starburst- Galaxie vor uns. Alle vier Galaxien stehen so dicht beieinander, dass sie sich gegenseitig mit ihren Gezeitenkräften beeinflussen. Galaxienentstehung Den Ursprung aller Galaxien muss man sicherlich, wie schon angedeutet, beim Urknall suchen. Nach der Zeit der Inflation, der Teilchenbildung und der Strahlungsentkopplung müssen aus ehemals kleinsten Dichtefluktuationen, winzigsten Unterschieden des gravitativen Feldes, Strukturen entstanden sein. Aus diesen Schwankungen heraus haben sich dann unaufhaltsam die Galaxien und Strukturen bis hin zu 100 Mpc, den Superclustern (siehe weiter unten), entwickelt. Zu Beginn waren die Fluktuationen extrem schwache, lokale Dichteschwankungen, welche im Laufe der Zeit durch Gravitationsinstabilitäten aber immer ausgeprägter wurden. In diese Zonen, in denen die allgemeine Expansion etwas verlangsamt war, konnte durch den Gravitationsüberschuss Materie aus umgebenden Gebieten angezogen werden. Die Verdichtung wurde immer stärker und irgendwann kollabierte die Materiewolke zu Galaxien oder, bei genügender Masse, zu Galaxienhaufen. Am Anfang wurde das Wachstum der Fluktuationen durch die Strahlung stark beeinflusst. Auf jedes Atom kamen damals 3 Milliarden Photonen, die Energiedichte war also noch viel höher als die Massedichte. In den ersten 10 000 Jahren wurde deshalb die Ausbildung von deutlichen Strukturen unterdrückt. Das änderte sich erst, als die Massedichte durch zunehmenden Materieanteil immer größer wurde. Nun gab es zwei Möglichkeiten der Entwicklung: entweder die Bildung großer, massereicher Strukturen wie Galaxienhaufen, die später zerfallen, oder es bildeten sich Zwerggalaxien, die dann durch gravitative Einflüsse immer massereicher wurden und sich schließlich zu den großräumigen Strukturen zusammenballten. Galaxienpaar ARP 87Wie sehr sich Galaxien gegenseitig beeinflussen können zeigt in beeindruckender Weise diese Hubble- Aufnahme des Galaxienpaars Arp 87. In 300 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Löwe gelegen, vollführen beide Sternsysteme einen komplizierten Tanz umeinander unter der Choreografie der Gravitation. Beide Galaxien beinhalten eine riesige Anzahl an Sternen und sie stehen hier stellvertretend für Hunderte von bekannten Galaxienpaaren, die in der näheren kosmischen Umgebung beheimatet sind und sich gegenseitig beeinflussen oder gar miteinander verschmelzen. Begegnungen zwischen Galaxien finden damit auch heute noch statt. In der Jugend unseres Universums aber waren sie noch viel häufiger, weil der Kosmos deutlich kleiner und deswegen die Materiedichte viel höher war. Top- down- Modell Wie gesagt konnten die Fluktuationen in den ersten 10 000 Jahren nicht anwachsen. Sie bestanden aus einem Gemisch komprimierter Strahlung und Materie. Strahlung kann man aber nicht in Materie einschließen, sie versucht sich stets abzukoppeln, wobei sie aber Materie mit sich zieht. Beherrscht wird das System von heißen Neutrinos, welche sich abzutrennen versuchen. Durch diesen Effekt wurden die Fluktuationen geglättet. Man kann sich das in etwa so vorstellen, wenn man Öl auf eine stark bewegte Wasserfläche gießt. Die vorher großen Wellenberge (Fluktuationen) werden durch das Öl erst gebrochen, dann geglättet. Zur Homogenisierung der großräumigen Fluktuationen reicht allerdings die Zeit der Entkopplung nicht aus. Sie überleben, und nach 380 000 Jahren, der Entkopplungsära, existieren nur noch Fluktuationen von 1015 Sonnenmassen, das sind Galaxienhaufen. Diese Strukturen sammeln weiter Materie an, bis sie irgendwann kollabieren und zu Galaxien zerfallen. Dieses Modell der Entwicklung von großen zu kleinen Strukturen hin nennt man das top- down- Modell, von oben nach unten. Bottom- up- Modell Viele der beobachteten Galaxienhaufen scheinen sich auch heute noch weiter zu entwickeln und zu wachsen, weshalb dieser Umstand gegen das top- down- Modell spricht. Vielmehr haben sich wohl zuerst unzählige kleinste Galaxien gebildet, welche dann durch Materiezuwachs immer größere Strukturen prägten- eben eine Entwicklung von unten nach oben, bottom- up. n einer Kombination aus Untersuchungen von Hubbles Ultra Deep Field (HUDF), Aufnahmen der Infrarotkameras des Spitzer Weltraumlabors sowie dem Infrarotspektrometer der Europäischen Südsternwarte wurden einige der kleinsten, lichtschwächsten und gleichzeitig kompaktesten Galaxien im frühen Universum (etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall) entdeckt. Diese Galaxien sind mindestens Hundert bis Tausend Mal kleiner als die Milchstraße und ein schlagkräftiger Beweis für das Bottom- up- Modell. Man kann sie als Bausteine bezeichnen, aus denen die späteren, großen Galaxien im Laufe der kosmischen Entwicklung zusammengesetzt werden. Erstaunlich ist, dass Hubble in diesen Galaxien blaue, also junge und heiße Sterne entdeckte, die gerade dabei sind, die beim Urknall erzeugten Gase Wasserstoff und Helium in schwerere Elemente zu verwandeln. Untersuchungen des Spitzer- Teleskops zeigten dagegen die Abwesenheit von im Infrarotbereich strahlenden, also alten Sternen. Wir haben es also tatsächlich mit sehr jungen Galaxien der ersten Generationen zu tun. Die Galaxien sind z.T. etwas in die Länge gezogen (siehe Vergrößerungen), was darauf hinweist, dass sie bereits mit anderen wechselwirken. Die Zahlen unten geben die gemessenen Rotverschiebungen wieder. Mit freundlicher Genemigung von NASA, ESA, und N. Pirzkal (STScI/ESA) Wie bereits oben angedeutet, bilden sich Fluktuationen in den ersten 10 000 Jahren aus, als der Kosmos bereits von der Materie beherrscht wird. Die Strahlung bleibt aber noch 370 000 Jahre an die Materie gekoppelt. Bis zu dieser Zeit, wahrscheinlich aber schon mit Entstehung der Materie, hat sich ein bestimmter Anteil Dunkler Materie gebildet, welcher außer gravitativer keine weitere Wechselwirkung mit der Strahlung hat. Fluktuationen werden deshalb bei der Entkopplung nicht geglättet. Auf die Dunkle Materie ausgeübter thermischer Druck bleibt ebenso wirkungslos, der Gravitation dieser Strukturen steht nichts entgegen. Deshalb können sich Fluktuationen aus viel kleineren Dichteschwankungen heraus entwickeln. [/QUOTE]
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