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Sternengeschichten Folge 720: Infrarotgalaxien
Galaxien leuchten, das ist bekannt und vorerst nicht weiter bemerkenswert. Galaxien leuchten im normalen Licht, deswegen können wir sie auch in normalen Teleskopen sehen, oder – im Fall der nahen Andromedagalaxie oder den Magellanschen Wolken – auch direkt mit unseren Augen. Galaxien leuchten aber deswegen, weil die Sterne, aus denen sie bestehen, Licht aussenden. Und Sterne geben mehr ab als nur das für unsere Augen sichtbare Licht. Sterne leuchten in allen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums und deswegen ist es auch keine große Überraschung, dass Galaxien ebenfalls zum Beispiel im ultravioletten oder infraroten Licht sichtbar sind. Ein bisschen überraschend war es dann aber schon, als die beiden amerikanischen Astronomen Frank Low und Douglas Kleinmann im Jahr 1968 bei ihren Beobachtungen herausgefunden haben, dass manche Galaxien sehr viel Infrarotlicht abgeben. Ihren damaligen Beobachtungen nach gab es Objekte, die mindestens so viel Energie im infraroten Teil des Spektrums abgestrahlt haben wie im optischen, also beim normalen Licht.
Das hatte man so nicht erwartet und man hatte es in der Form davor auch noch nicht gewusst. Es ist ja gar nicht so einfach, von der Erde aus Beobachtungen im infraroten Teil des Spektrums anzustellen. Man kann das zwar im Prinzip mit den selben Teleskopen erledigen, die auch die normalen Beobachtungen anstellen. Aber unsere Atmosphäre blockiert einen großen Teil der Infrarotstrahlung, die aus dem Weltall zu uns gelangt. Nur der kurzwelligste Teil des Infrarotlichts kommt durch, aber von den mittleren Wellenlängen wird schon das meiste blockiert und das langwelligste Teil komplett. Die Beobachtungen von Low und Kleinmann waren nur deswegen möglich, weil Low 1961 einen neuen, besseren und empfindlicheren Detektor erfunden hatte, der auch etwas langwelligere Infrarotstrahlung auf der Erde registrieren konnte. Die beiden haben ihre Beobachtungen fortgesetzt und festgestellt, dass solche „Infrarotgalaxien“ keine Ausnahme sind. Alle Galaxien leuchten auch in den langwelligeren Bereichen des Infrarot und sie haben immer wieder welche gefunden, die das mit enormer Helligkeit tun. In einer Arbeit aus dem Jahr 1970 haben sie zum Beispiel gleich fünf Stück entdeckt, die 1000 mal mehr Infrarotstrahlung abgeben als normale Galaxien.
Zu dieser Zeit hat man sich in der Astronomie vor allem zwei Fragen zu diesem Thema gestellt. Erstens: Was ist die Ursache für die enorme Infrarothelligkeit mancher Galaxien? Und zweitens: Wie häufig sind diese Objekte tatsächlich? Vor allem die zweite Frage war schwer zu beantworten, denn auch mit den besten Detektoren kann man vom Erdboden aus nicht den gesamten Infrarotbereich beobachten. Das geht nur vom Weltall aus und damals gab es kein Weltraumteleskop, das für solche Beobachtungen geeignet war. Ohne eine Antwort auf die zweite Frage konnte man aber auch bei der ersten nur spekulieren. Ein bekannter Prozess, der auch Infrarotstrahlung erzeugt, ist ein „Synchrotronmodell“. Das klingt kompliziert, aber eigentlich geht es nur um folgendes: Wenn sich geladene Teilchen, zum Beispiel Elektronen, sehr schnell durch ein Magnetfeld bewegen, dann senden sie dabei elektromagentische Strahlung aus. Wir wissen, dass es Galaxien – und jede Menge andere astronomische Prozesse – gibt, wo so etwas passiert. Zum Beispiel bei aktiven Galaxien, wo ein supermassereiches schwarzes Loch im Zentrum umgeben ist von jeder Menge Gas und Staub. Das ganze Zeug wirbelt mit enormer Geschwindigkeit um das schwarze Loch herum und diese schwarzen Löcher haben auch starke Magnetfelder. Man hatte damals schon die starke Radiostrahlung beobachtet, die auf diese Weise dort erzeugt wird, aber der selbe Vorgang kann auch Infrarot- und andere Strahlung erzeugen, je nachdem wie viel Energie gerade in den Elektronen steckt.
Aber, und das haben die Beobachtungen von Low und Kleinmann gezeigt, mit so einem einfachen Modell lassen sich die Beobachtungen nicht vollständig erklären. Die Variationen in der Infrarotstrahlung der Galaxien sind zu komplex, um alle von einem einzigen Prozess im Zentrum der Galaxien zu stammen. Da muss irgendetwas anderes passieren, aber was das genau ist, war noch unklar. Um das Rätsel zu lösen war ein kompletter Blick auf den Infrarothimmel nötig. Und der wurde im Jahr 1983 möglich: Da hat man das Weltraumteleskop IRAS ins All geschickt. Die Abkürzung steht für „Infrared Astronomical Satellite“ und damit ist klar, um was es sich handelt: Das erste Infrarotweltraumteleskop, das von der NASA gemeinsam mit den Weltraumagenturen von Großbritannien und den Niederlanden gebaut wurde. Es war nur 10 Monate lang aktiv, aber in der Zeit hat es unser Wissen über den Weltraum maßgeblich erweitert. IRAS hat definitiv irgendwann eine eigene Folge der Sternengeschichten verdient, aber vorerst reicht es zu wissen, dass damit auch circa 20.000 Galaxien beobachtet wurden. Das erste Mal hatte man einen halbwegs vernünftigen Überlick über die Infrarothelligkeiten der Galaxien am Himmel und viele davon hatte man zuvor noch gar nicht gesehen. Diese Galaxien haben also im normalen Licht so schwach geleuchtet, dass wir sie nicht gesehen haben; erst mit dem Infrarotteleskop sind sie für uns sichtbar geworden. Oder anders gesagt: Diese Galaxien haben im Infrarotlicht sehr viel stärker geleuchtet als anderswo. Oder noch einmal anders gesagt: Man hatte eine neue Klasse von Galaxien entdeckt, die „Infrarotgalaxien“, die den größten Teil ihrer Energie im infraroten Bereich des Lichtspektrums abgeben.
Das war aber noch längst nicht alles. Natürlich hat man sich jetzt noch intensiver als vorher mit diesen Objekten beschäftigt und danach gesucht. Und dabei festgestellt, dass es nicht einfach nur helle Infrarotgalaxien gibt, sondern auch enorm helle. Eine normale Infrarotgalaxien leuchtet im Infraroten mit einer Leuchtkraft von ungefähr 100 Milliarden Sonnenleuchtkräften. Es gab aber auch welche, die im Infrarotlicht so hell waren, wie eine bis zehn Billionen Sonnen, weswegen man diese Objekte als „Ultrahelle Infrarotgalaxien“ bezeichnet hat. Und je weiter man beobachtet hat, desto extremer wurde die Sache. Man hat Galaxien mit der Infrarotreuchtleuchtkraft von 100 Billionen Sonnen gefunden und welche, die eine Billiarde mal heller waren als die Sonne. Daraus hat sich folgendes Klassifikationsscheme entwickelt. Die normalen Infrarotgalaxien werden LIRGs genannt, was für „Luminous Infrared Galaxy“, also „helle Infrarotgalaxie“ steht. Danach kommen die ULIRGs, die „Ultra-Luminous Infrared Galaxy“. Es folgen die HyLIRGs, die „Hyper-Luminous Infrared Galaxy“ und am Ende stehen – vorerst – die ELIRGs, also die „Extremely Luminous Infrared Galaxy“.
Es bleibt aber immer noch die Frage: Was ist mit diesen Objekten los? Warum leuchten die so hell im Infrarotlicht? Auch hier haben die Beobachtungen von IRAS den Durchbruch gebracht. Das meiste Infrarotlicht senden diese Galaxien in den mittleren und längeren Wellen des Infrarot aus. Das ist aber genau das, was Staub macht. Natürlich leuchtet Staub nicht von selbst. Aber wenn man den ganzen kosmischen Staub erwärmt, der sich überall zwischen den Sternen einer Galaxie befindet, dann gibt er diese Energie vor allem in den mittleren und langen Wellenlängen des Infraroten wieder ab. Und was erwärmt den Staub? Energiereiche Strahlung von Sternen und das bedeutet: Junge Sterne. Wenn ein Stern gerade erst entstanden ist, gibt er sehr viel energiereiche ultraviolette Strahlung ab, die wunderbar geeignet ist, Staub zu erwärmen. Die Infrarotgalaxien müssen also Galaxien sein, in denen sehr viele neue Sterne entstehen. Aber, könnte man jetzt denken, müsste man das nicht sehen? Junge Sterne leuchten ja nicht nur im Ultraviolettlicht, sondern sind auch im normalen Licht sehr hell. Das ist richtig, aber Infrarotgalaxien sind nicht nur Galaxien mit sehr viel Sternentstehung, sondern brauchen eben auch sehr viel Staub. Und dieser Staub verdeckt das normale helle Licht der Sterne, und wir sehen nur die Infrarotstrahlung des aufgewärmten Staubs.
Es gibt noch einen zweiten Prozess, der vor allem bei der extremen Helligkeit der ULIRGs, HyLIRGS und ELIRGS eine Rolle spielt. Ich habe vorhin schon von der Synchrotronstrahlung erzählt, die aus der Umgebung der supermassereichen schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien stammt. Wenn diese Zentren jetzt ebenfalls von sehr viel Staub umgeben sind, kriegen wir da noch einmal extra Infrarotstrahlung obendrauf. Je nach Art der Galaxie kann das zentrale schwarze Loch sogar den dominierenden Anteil der Infrarotstrahlung beisteuern; wie das zum Beispiel bei den extremen ELIRGs der Fall ist.
Bleibt noch eine Frage: Warum sind manche Galaxien Infrarotgalaxien und manche nicht? Ein guter Weg, um eine „Luminous Infrared Galaxy“ zu erzeugen, ist die Kollision und Verschmelzung zweier Galaxien, die viel Gas enthalten. Die gravitativen Störungen bei der Wechselwirkung zwischen den Galaxien wirbelt das Gas durcheinander und lässt daraus auf einen Schlag jede Menge Sterne entstehen. Wenn die Wechselwirkung zwischen beiden Galaxien sehr stark ist, kann viel Gas in das Zentrum der neu entstehenden Galaxie transportiert werden, und dort die Aktivität rund um das schwarze Loch erhöhen. Die LIRG wird dann zur ULIRG und leuchtet heller. Und wenn die schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien wirklich massereich sein, dann wird alles noch ein wenig extremer und wir kriegen eine HyLIRG oder ELIRG.
Mittlerweile ist die Erforschung dieser Infrarotgalaxien ein wichtiger Teil der Astronomie geworden. Einerseits machen es diese Objekte möglich, die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien zu untersuchen, wo wir es ansonsten nicht könnten. Vor der Entdeckung der Infrarotgalaxien war ein großer Teil der Sternentstehung im Universum vor uns verborgen. Und andererseits können wir mit den Infrarotgalaxien auch besser verstehen, wie Galaxien miteinander wechselwirken und verschmelzen. Die Infrarotgalaxien haben uns gezeigt, dass es auch dort, wo es im Universum scheinbar dunkel ist, jede Menge zu entdecken gibt.