Galaxien – diese riesigen Ansammlungen von Sternen, die unser Universum bevölkern – sind überall zu finden. Aber wie viele Galaxien gibt es im Universum? Sie zu zählen, scheint eine unmögliche Aufgabe zu sein. Die schiere Anzahl ist ein Problem – wenn die Zahl erst einmal in die Milliarden geht, dauert es eine Weile, sie zu addieren. Ein weiteres Problem sind die Grenzen unserer Instrumente. Um die beste Sicht zu erhalten, muss ein Teleskop eine große Öffnung haben (der Durchmesser des Hauptspiegels oder der Linse) und sich über der Atmosphäre befinden, um Verzerrungen durch die Erdluft zu vermeiden.
Das vielleicht eindrucksvollste Beispiel für diese Tatsache ist das Hubble eXtreme Deep Field (XDF), ein Bild, das durch die Kombination von 10 Jahren an Fotos des Hubble-Weltraumteleskops entstanden ist. Nach Angaben der NASA beobachtete das Teleskop ein kleines Stück des Himmels in wiederholten Besuchen insgesamt 50 Tage lang. Wenn Sie Ihren Daumen auf Armlänge halten würden, um den Mond zu bedecken, wäre der XDF-Bereich etwa so groß wie ein Stecknadelkopf. Durch das Auffangen schwachen Lichts über viele Stunden der Beobachtung enthüllte das XDF tausende von Galaxien, sowohl nahe als auch sehr weit entfernte, was es zum tiefsten Bild des Universums machte, das zu dieser Zeit je aufgenommen wurde. Wenn also ein einziger kleiner Fleck Tausende von Galaxien enthält, kann man sich vorstellen, wie viele weitere Galaxien in anderen Flecken gefunden werden könnten.
Die Schätzungen der verschiedenen Experten variieren zwar, aber ein akzeptabler Bereich liegt zwischen 100 und 200 Milliarden Galaxien, sagte Mario Livio, Astrophysiker am Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. Wenn das James-Webb-Weltraumteleskop im Jahr 2020 startet, wird erwartet, dass das Observatorium noch mehr Informationen über frühe Galaxien im Universum enthüllen wird.
In die Tiefe gehen
Nach Livios Kenntnis ist Hubble das beste verfügbare Instrument zur Zählung und Schätzung von Galaxien. Das 1990 gestartete Teleskop wies anfangs eine Verzerrung am Hauptspiegel auf, die 1993 bei einem Shuttle-Besuch behoben wurde. Hubble wurde bis zur letzten Shuttle-Mission im Mai 2009 mehrfach nachgerüstet und gewartet.
Im Jahr 1995 richteten Astronomen das Teleskop auf eine scheinbar leere Region von Ursa Major und sammelten zehn Tage lang Beobachtungen. Das Ergebnis waren schätzungsweise 3.000 schwache Galaxien in einem einzigen Bild, die bis zur 30. Größenklasse reichen. (Zum Vergleich: der Polarstern liegt bei etwa 2. Größe). Diese Bildkomposition wurde Hubble Deep Field genannt und war die weiteste Aufnahme, die man zu dieser Zeit im Universum gesehen hatte.
Nachdem das Hubble-Teleskop seine Instrumente aufgerüstet hatte, wiederholten die Astronomen das Experiment zweimal. In den Jahren 2003 und 2004 erstellten die Wissenschaftler das Hubble Ultra Deep Field, das in einer Belichtungszeit von einer Million Sekunden etwa 10.000 Galaxien in einem kleinen Fleck im Sternbild Fornax enthüllte.
Im Jahr 2012 nutzten die Wissenschaftler das Teleskop erneut mit verbesserten Instrumenten, um einen Teil des Ultra Deep Field zu betrachten. Selbst in diesem engeren Sichtfeld konnten die Astronomen etwa 5.500 Galaxien aufspüren. Die Forscher nannten dies das eXtreme Deep Field.
Insgesamt enthüllt 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 gegenüber Space.com.
Sterne zählen
Welches Instrument auch immer verwendet wird, die Methode zur Schätzung der Anzahl der Galaxien ist die gleiche. Man nimmt den Teil des Himmels, der von dem Teleskop (in diesem Fall Hubble) abgebildet wird. Anhand des Verhältnisses zwischen diesem Himmelsausschnitt und dem gesamten Universum kann dann die Anzahl der Galaxien im Universum bestimmt werden.
„Wir gehen davon aus, dass es keine große kosmische Varianz gibt, dass das Universum homogen ist“, so Livio. „Wir haben gute Gründe zu vermuten, dass das der Fall ist. Das ist das kosmologische Prinzip.“
Das Prinzip geht zurück auf Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Einstein sagte, dass die Schwerkraft eine Verzerrung von Raum und Zeit ist. Mit dieser Erkenntnis versuchten mehrere Wissenschaftler (darunter auch Einstein) zu verstehen, wie sich die Schwerkraft auf das gesamte Universum auswirkt.
„Die einfachste Annahme ist, dass der Inhalt des Universums, wenn man ihn mit ausreichend schlechter Sicht betrachtet, überall und in jeder Richtung ungefähr gleich aussieht“, erklärte die NASA. „Das heißt, dass die Materie im Universum homogen und isotrop ist, wenn man sie über sehr große Skalen mittelt. Ein Beispiel für die Anwendung des kosmologischen Prinzips ist der kosmische Mikrowellenhintergrund, eine Strahlung, die ein Überbleibsel aus der Frühphase des Universums nach dem Urknall ist. Mithilfe von Instrumenten wie der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe der NASA haben Astronomen festgestellt, dass die CMB-Strahlung praktisch überall gleich ist.
Verändert sich die Anzahl der Galaxien mit der Zeit?
Messungen der Expansion des Universums – durch Beobachtung von Galaxien, die sich von uns entfernen – zeigen, dass es etwa 13,82 Milliarden Jahre alt ist. Da das Universum jedoch älter und größer wird, entfernen sich die Galaxien immer weiter von der Erde. Das macht es schwieriger, sie in Teleskopen zu sehen.
Das Universum dehnt sich schneller aus als die Lichtgeschwindigkeit (was nicht gegen Einsteins Geschwindigkeitsbegrenzung verstößt, weil die Ausdehnung das Universum selbst betrifft und nicht Objekte, die sich durch das Universum bewegen). Außerdem beschleunigt sich das Universum in seiner Ausdehnung.
Hier kommt das Konzept des „beobachtbaren Universums“ – das Universum, das wir sehen können – ins Spiel. In 1 Billion bis 2 Billionen Jahren, so Livio, wird es Galaxien geben, 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“, so Livio. „Das bedeutet nicht, dass das alles ist, was es im Universum gibt. Daher die Definition des beobachtbaren Universums.“
Galaxien verändern sich auch mit der Zeit. Die Milchstraße befindet sich auf Kollisionskurs mit der nahe gelegenen Andromedagalaxie, und beide werden in etwa 4 Milliarden Jahren miteinander verschmelzen. Später werden sich auch andere Galaxien in unserer Lokalen Gruppe – die Galaxien, die uns am nächsten sind – zusammenschließen. Die Bewohner dieser zukünftigen Galaxie hätten ein viel dunkleres Universum zu beobachten, sagte Livio.
„Wenn die Zivilisationen dann begännen, hätten sie keinen Beweis dafür, dass es ein Universum mit 100 Milliarden Galaxien gibt“, sagte er. „Sie würden die Expansion nicht sehen. Sie wären wahrscheinlich nicht in der Lage zu sagen, dass es einen Urknall gab.“
Was ist mit anderen Universen?
Als sich das frühe Universum aufblähte, gab es einige Theorien, die besagen, dass verschiedene „Taschen“ wegbrachen und verschiedene Universen bildeten. Diese verschiedenen Orte könnten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausdehnen, andere Arten von Materie enthalten und andere physikalische Gesetze haben als unser eigenes Universum.
Livio wies darauf hin, dass es in diesen anderen Universen Galaxien geben könnte – falls sie existieren -, aber wir haben derzeit keine Möglichkeit, das mit Sicherheit zu wissen. Die Zahl der Galaxien könnte also sogar größer als 200 Milliarden sein, wenn man andere Universen in Betracht zieht.
In unserem eigenen Kosmos, so Livio, werden die Astronomen nach dem Start des James Webb Weltraumteleskops (für das sein Institut den Missionsbetrieb und die Wissenschaft leitet) besser in der Lage sein, die Zahl zu präzisieren. Hubble ist in der Lage, einen Blick auf Galaxien zu werfen, die etwa 450 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Nach dem Start von James Webb im Jahr 2020 rechnen die Astronomen damit, dass sie bis zu 200 Millionen Jahre nach dem Urknall zurückblicken können.
„Die Zahlen werden sich nicht wesentlich ändern“, fügte Livio hinzu und wies darauf hin, dass sich die ersten Galaxien wahrscheinlich nicht allzu lange davor gebildet haben. „
Webbs Beiträge
Während es interessant ist, die Anzahl der Galaxien in unserem Universum zu zählen, sind Astronomen mehr daran interessiert, wie Galaxien aufzeigen, wie das Universum entstanden ist. Nach Angaben der NASA zeigen Galaxien, wie die Materie im Universum organisiert war – zumindest im großen Maßstab. (Auf der kleinen Seite des Spektrums interessieren sich die Wissenschaftler auch für Teilchentypen und Quantenmechanik). Da Webb bis in die Anfänge des Universums zurückblicken kann, werden seine Informationen den Wissenschaftlern helfen, die Strukturen der Galaxien um uns herum besser zu verstehen.
„Indem wir einige der frühesten Galaxien untersuchen und sie mit den heutigen Galaxien vergleichen, können wir vielleicht ihr Wachstum und ihre Entwicklung verstehen. Webb wird es den Wissenschaftlern auch ermöglichen, Daten über die Arten von Sternen zu sammeln, die in diesen sehr frühen Galaxien existierten“, sagte die NASA über die Webb-Mission. „Folgebeobachtungen mit Hilfe der Spektroskopie von Hunderten oder Tausenden von Galaxien werden den Forschern helfen zu verstehen, wie Elemente, die schwerer als Wasserstoff sind, im Laufe der Zeitalter der Galaxienentstehung gebildet und aufgebaut wurden.
Nach Angaben der NASA sind hier einige der wichtigsten Fragen, die Webb über Galaxien beantworten wird:
- Wie bilden sich Galaxien?
- Was gibt ihnen ihre Form?
- 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 die dunkle Materie beim Aufbau von Galaxien spielt. Während ein Teil des Universums in Form von Galaxien oder Sternen sichtbar ist, macht die dunkle Materie den größten Teil des Universums aus – etwa 80 Prozent davon. Während die dunkle Materie in den Wellenlängen des Lichts oder durch die Emission von Energie unsichtbar ist, wiesen Studien von Galaxien aus den 1950er Jahren darauf hin, dass in ihnen weit mehr Masse vorhanden ist, als mit bloßem Auge sichtbar ist.
„Computermodelle, die Wissenschaftler erstellt haben, um die Galaxienbildung zu verstehen, deuten darauf hin, dass Galaxien entstehen, wenn dunkle Materie verschmilzt und sich verklumpt“, sagte die NASA. „Man kann sie sich als das Gerüst des Universums vorstellen. Die sichtbare Materie, die wir sehen, sammelt sich innerhalb dieses Gerüsts in Form von Sternen und Galaxien. Die Art und Weise, wie die dunkle Materie ‚verklumpt‘, besteht darin, dass sich kleine Objekte zuerst bilden und dann zu größeren zusammengezogen werden.“
Die leistungsstarken Spiegel der Webb werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Entstehung von Galaxien – einschließlich der Rolle der dunklen Materie – aus der Nähe zu betrachten. Diese Untersuchung gibt zwar keine direkte Antwort auf die Frage, wie viele Galaxien es im Universum gibt, aber sie hilft den Wissenschaftlern, die Prozesse hinter den Galaxien, die wir sehen, besser zu verstehen, was wiederum zu besseren Modellen über die galaktischen Populationen führt.