Galaxien

Die elliptische Galaxie mit der Katalogbezeichnung NGC 5128 ist besser unter dem Namen Centaurus A bekannt. Dieser zweite Name wurde ihr verliehen, weil sie im Radiobereich das hellste Objekt im Sternbild Kentaur (Centaurus) ist. Hätten wir Augen, die Radiostrahlung sehen könnten, würde Centaurus A alle Sterne und anderen Objekte im Kentaur überstrahlen. Und nicht nur das: Centaurus A ist eine der hellsten astronomischen Radioquellen überhaupt.

Im sichtbaren Licht sehen wir die etwa 12,4 Millionen Lichtjahre von uns entfernte Galaxie mit einer scheinbaren Helligkeit von 6,8 mag. Mit bloßen Augen ist sie also gerade nicht zu erkennen; mit einem Fernglas hingegen ist sie problemlos aufzuspüren. Damit ist Centaurus A gemeinsam mit M 81 im Sternbild Großer Bär (Ursa Major) im Optischen die hellste Galaxie außerhalb der Lokalen Gruppe an unserem Himmel. Nur vier Galaxien erscheinen uns noch heller: die beiden Magellanschen Wolken sowie die Andromedagalaxie M 31 und die Dreiecksgalaxie M 33, die gemeinsam mit unserem Milchstraßensystem zur Lokalen Gruppe gehören.

Ihre Helligkeit und ihre große Ausdehnung von etwa 25′ × 17′ machen Centaurus A zu einem leichten und beliebten Beobachtungsobjekt für Amateurastronomen. In Teleskopen ab etwa 10 cm Öffnung ist neben dem hellen Zentralbereich der elliptischen Galaxie auch das charakteristische dunkle Staubband zu sehen. Auch fotografische Aufnahmen mit einer gewöhnlichen Spiegelreflexkamera zeigen bereits die flächenhafte Ausdehnung und das zentrale Staubband. Aufnahmen mit größeren Amateurteleskopen enthüllen eine Vielzahl weiterer Details.

Wir finden Centaurus A etwa 4,5° nördlich des Kugelsternhaufens Omega Centauri, der bereits mit bloßen Augen gut zu erkennen ist.

Hochwertige Fotos von NGC 5128 / Centaurus A präsentieren zahlreiche Amateurastronomen im Internet. Beispiele sind Daniel Verschatse, Shawn Nielsen, Alejandro Tombolini und Siegfried Hold.

Galaktischer Kannibalismus: Die Großen fressen die Kleinen

Das optische Erscheinungsbild von Centaurus A ist durch eine diffuse, ovale Lichtverteilung ihrer Sterne und ein breites Staubband in ihrem Innenbereich geprägt. Dieses zentrale Band aus Staubwolken absorbiert das sichtbare Licht der dahinter stehenden Sterne und verhindert den direkten Blick in den Zentralbereich der Galaxie. Die starke Radiostrahlung von Centaurus A wurde schon früh mit diesem Staubband in Verbindung gebracht. Und bereits 1954 vermuteten Walter Baade und Rudolph Minkowski, dass das ungewöhnliche Gebilde aus der Verschmelzung einer großen elliptischen Galaxie und einer kleineren Spiralgalaxie hervorgegangen ist. Diese Interpretation hat sich durch nachfolgende Beobachtungen und auch Computersimulationen bestätigt.

Die Begegnung und Verschmelzung beider Galaxien hat sich in astronomisch junger Zeit ereignet. In einem Prozess, der vor einigen Hundert Millionen Jahren begann, hat die kleine Spiralgalaxie die große elliptische Galaxie mehrmals umlaufen beziehungsweise durchdrungen. Dabei wurden im starken Gravitationsfeld die äußeren Sterne der Spiralgalaxie abgestreift, die sich in der Folge mit den Sternen der elliptischen Galaxie vermischt haben. Die dunklen Wolken im breiten Staubband sind die heute noch sichtbaren Zeugen dieses Verschmelzungsprozesses.

Gigantische Teilchenschleuder

Die Verschmelzung zweier Galaxien blieb nicht ohne Folgen: Neben den Sternen wurden auch Gasschwaden durcheinandergewirbelt, die teilweise in den Einflussbereich des extrem massereichen Schwarzen Lochs im Herzen von Centaurus A gerieten. Dadurch wurde eine heftige Phase gesteigerter Sternentstehung ausgelöst, und das Schwarze Loch erhielt neue Nahrung. Deshalb beherbergt Centaurus A einen aktiven galaktischen Kern (AGN nach Englisch: Active Galactic Nucleus), aus dem zwei riesige Gasströme in gegenüberliegenden Richtungen aus dem System herausschießen.

Ursache dieser Jets sind die Prozesse in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs: Das durch die Gravitationswirkung in Richtung des Schwarzen Lochs strömende interstellare Gas – oder das Gas von durch Gezeitenkräften zerrissenen Sternen – kann nicht radial in das Schwerkraftzentrum fallen, sondern sammelt sich aufgrund der Drehimpulserhaltung in einer wirbelnden Scheibe um das Schwarze Loch an. Reibungsprozesse heizen diese Akkretionsscheibe auf Temperaturen bis zu 100 000 Kelvin auf, die deswegen in allen Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums intensiv strahlt. Zudem ist bei diesen Temperaturen das gesamte Material ionisiert, liegt also als Plasma aus negativen Elektronen und positiven Atomkernen vor. Magnetfelder, die in der Scheibe durch die Rotation mitgerissen und verstärkt werden, entfalten auf diese geladenen Teilchen die Wirkung einer gigantischen Schleuder: Mit hoher Geschwindigkeit schießt das ionisierte Gas senkrecht zur Ebene der Akkretionsscheibe davon.

Die Wechselwirkung dieser Jets – insbesondere der darin enthaltenen schnellen Elektronen – mit dem Gas entlang ihrer Ausbreitungsrichtung sorgt für die starke Emission von Radiostrahlung, für die Centaurus A bekannt ist. Zugleich entsteht durch das Abbremsen der hochenergetischen Elektronen auch intensive Röntgenstrahlung.

Auch als Gammastrahlenquelle ist Centaurus A seit einigen Jahren bekannt. Wegen dieser Eigenschaften und ihrer Nähe – Centaurus A ist die uns nächstgelegene aktive Galaxie – ist dieses Sternsystem vermutlich für einen Teil der kosmischen Strahlung verantwortlich, die beständig auf unser Sonnensystem einprasselt.

Wie das Schwarze Loch „gewogen“ wurde

Das sichtbare Licht aus dem Kernbereich von Centaurus A wird durch das Staubband um mehrere Größenordnungen geschwächt. Deshalb müssen Astronomen auf infrarotes Licht ausweichen, das weniger durch den Staub absorbiert wird, um in den innersten Bereich der Galaxie blicken zu können. Zudem müssen die Bewegungen der Sterne und des Gases in der Umgebung des zentralen Schwarzen Lochs mit ausreichend hoher Auflösung erfasst werden, um daraus dessen Masse zu bestimmen. Theoretische Überlegungen ergaben, dass die Beobachtungsdaten besser als 0,3 Bogensekunden aufgelöst sein müssen, um dieses Ziel zu erreichen. Ein Winkeldurchmesser von 0,3 Bogensekunden entspricht der scheinbaren Größe einer Ein-Euro-Münze in einer Entfernung von zwölf Kilometern.

Die weltweit ersten Instrumente, die im infraroten Licht eine derart hohe Auflösung erreichten, waren Systeme mit adaptiver Optik am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile. die Bilder und Spektren aufnehmen können. Damit gelang es, die Kinematik der Sterne im Kernbereich von Centaurus A zu untersuchen. Daraus konnte für die Masse des zentralen Schwarzen Lochs ein Wert von ungefähr 55 Millionen Sonnenmassen ermittelt werden.

NGC 4945 im Sternbild Kentaur (Centaurus) ist eine Spiralgalaxie, die wir fast genau von der Kante sehen. Deshalb nehmen wir sie als spindelförmiges Objekt am Himmel wahr. Wie unser eigenes Milchstraßensystem ist die Scheibe von dunklen Wolken aus Gas und Staub durchzogen, während Sternentstehungsgebiete im rötlichen Licht leuchten. Und so wie unsere Galaxis gibt es im Kernbereich von NGC 4945 einen zentralen Balken und in dessen Zentrum ein extrem massereiches Schwarzes Loch, das ungefähr das 1,4 Millionen-Fache der Sonnenmasse in einem kleinen Volumen vereint. Damit ähnelt NGC 4945 in ihrem gesamten Erscheinungsbild unserer eigenen Galaxie.

Es gibt jedoch einen bedeutenden Unterschied: Während das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxis zurzeit wenig aktiv ist, zeigt jenes in NGC 4945 eine deutlich höhere Aktivität. Beobachtungen im Röntgenbereich offenbaren einen zentralen Starburst, also eine stark erhöhte Rate der Sternentstehung, und der Galaxienkern wird als aktiver galaktischer Kern des Typs Seyfert 2 eingestuft.

Mit einer Entfernung von etwa 13 Millionen Lichtjahren ist NGC 4945 etwa sechsmal so weit von uns entfernt wie die Andromedagalaxie Messier 31. (Manche Fachveröffentlichungen nennen allerdings Entfernungen bis 22 Millionen Lichtjahren.) Das und ihre aktiven Eigenschaften machen NGC 4945 zu einer der nächsten aktiven Galaxien und zu einer der hellsten Infrarotquellen außerhalb der Lokalen Gruppe. Und ähnlich wie die Starburst-Galaxien M 82 im Sternbild Großer Bär (Ursa Major) und NGC 253 im Sternbild Bildhauer (Sculptor) ist NGC 4945 eine der wenigen Galaxien, deren erhöhte Sternentstehungsrate im Gammastrahlenbereich durch das Weltraumteleskop Fermi nachgewiesen werden kann.

Starbursts blasen Gas aus der Galaxie heraus

Untersuchungen der Extinktion zeigen, dass der südwestliche Rand der Galaxie uns etwas näher liegt als der nordöstliche. Diese Orientierung behindert im Optischen den Einblick in die Zentralregion und in die Geschehnisse auf der „Unterseite“ der Galaxie. Beobachtungen bei kürzeren oder längeren Wellenlängen liefern jedoch deutliche Hinweise auf junge, massereiche Sternhaufen im Kernbereich, auf die ein erheblicher Teil der erhöhten Sternentstehungsrate zurückgeht.

Zudem wurde ein konischer Ausfluss an ionisiertem Gas nachgewiesen, der mit mehreren Hundert Kilometern pro Sekunde in nordwestlicher Richtung aus dem Kernbereich der Galaxie ausströmt. Durch diesen Sternwind wird pro Jahr eine Masse von ungefähr zehn Sonnenmassen aus der Galaxie herausgeblasen. Ein Teil dieses Gases fällt wie bei einem riesigen Brunnen wieder in den Kernbereich der Galaxie zurück, ein anderer Teil sammelt sich nach dem Abkühlen als neutrales Gas in einem Halo um die Galaxie, ein weiterer Teil kann schließlich aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit den Gravitationsbereich der Galaxie endgültig verlassen und verbreitet sich im intergalaktischen Raum.

Hervorzuheben ist, dass NGC 4945 gemeinsam mit der gleich weit entfernten Galaxie Centaurus A und einigen weiteren, aber kleineren Galaxien im Kentaur zur so genannten Centaurus-A-Untergruppe gehört. Diese ist wiederum ein Teil der größeren Centaurus-A/M83-Galaxiengruppe, die sich auch über die im Norden benachbarten Sternbilder Wasserschlange (Hydra) und Jungfrau (Virgo) erstreckt.

Auf den Websites vieler Sternfreunde finden sich Fotos von NGC 4945. Als Beispiele seien hier aufgeführt die Fotos von Mike O. Day, Daniel Verschatse, Ezequiel Bellocchio, Sergio Eguivar und von Josef Pöpsel und Beate Behle.

Quellen:

• Alberto D, Bolatto et al.: ALMA Imaging of a Galactic Molecular Outflow in NGC 4945. In: The Astrophysical Journal 923, 83 (doi.org/10.3847/1538-4357/ac2c08)
• Roger Ianjamasimanana et al.: The extended HI halo of NGC 4945 as seen by MeerKAT. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 513, S. 2019-2038 (2022) (doi.org/10.1093/mnras/stac936)