Am späten Abend des 5. Oktober 1923 saß Edwin Hubble am Okular des Hooker-Teleskops am Mount Wilson Observatory auf den Bergen mit Blick auf das Becken von Los Angeles. Er beobachtete ein Objekt am Nordhimmel. Mit bloßem Auge war es als schwacher Fleck sichtbar. Aber durch ein Teleskop wurde es zu einer leuchtenden Ellipse namens Andromedanebel. Um eine Debatte über die Größe der Milchstraße – die damals als das gesamte Universum galt – beizulegen, musste Hubble die Entfernung von Andromeda zu uns bestimmen.

Im Sichtfeld des Teleskops war Andromeda ein Riese. Hubble nahm geduldig mehrere Aufnahmen auf vielen Glas-Fotoplatten auf, und in den frühen Morgenstunden des 6. Oktober machte er eine 45-minütige Aufnahme auf einer kleinen Glasplatte und kritzelte „N“ auf die Stelle, an der er drei neue Sterne oder Novas sah. Doch als er sein Bild mit Fotos anderer Astronomen verglich, stellte er fest, dass es sich bei einer seiner neuen Novas tatsächlich um einen veränderlichen Cepheid-Stern handelte – eine Art Stern, der zur Messung astronomischer Entfernungen verwendet werden kann.

Er strich ein „N“ durch und schrieb „VAR!“

Hubble nutzte diesen pulsierenden Stern, um zu berechnen, dass Andromeda 1 Million Lichtjahre von der Erde entfernt war, eine Entfernung, die viel größer ist als der Durchmesser der Milchstraße (er war etwas daneben; Andromeda ist etwa 2.5 Millionen Lichtjahre entfernt). Und er erkannte, dass Andromeda kein bloßer Nebel, sondern ein ganzes „Inseluniversum“ war – eine Galaxie, die sich von unserer eigenen unterscheidet.

Mit der Spaltung des Kosmos in eine Heimatgalaxie und ein größeres Universum könnte die Erforschung unserer endlichen Heimat – und wie sie in diesem Universum existiert – ernsthaft beginnen. Jetzt, ein Jahrhundert später, machen Astronomen immer noch unerwartete Entdeckungen über die einzige kosmische Insel, die wir jemals bewohnen werden. Möglicherweise können sie einige der Eigenschaften der Milchstraße erklären, indem sie sich neu vorstellen, wie sie im frühen Universum entstand und wuchs, indem sie ihre ungleichmäßige Form untersuchen und ihre Fähigkeit, Planeten zu bilden, untersuchen. Die neuesten Ergebnisse der letzten vier Jahre zeichnen nun ein Bild von unserem Zuhause als einem einzigartigen Ort zu einer einzigartigen Zeit.

Wir hatten offenbar das Glück, in der Nähe eines besonders ruhigen Sterns am ruhigen Rand einer seltsam geneigten, locker spiralförmigen Galaxie mittleren Alters zu leben, die die meiste Zeit ihres Bestehens weitgehend in Ruhe gelassen wurde.

Unser Inseluniversum

Von der Erdoberfläche aus – wenn Sie sich an einem sehr dunklen Ort befinden – können Sie den hellen Streifen der galaktischen Scheibe der Milchstraße nur von der Kante aus sehen. Aber die Galaxie, in der wir leben, ist viel komplizierter.

In seinem Zentrum wirbelt ein supermassereiches Schwarzes Loch, umgeben von der „Ausbuchtung“, einer Ansammlung von Sternen, die einige der ältesten Sternbewohner der Galaxie enthält. Als nächstes kommt die „dünne Scheibe“ – die Struktur, die wir sehen können – in der die meisten Sterne der Milchstraße, einschließlich der Sonne, in gigantische Spiralarme unterteilt sind. Die dünne Scheibe ist von einer breiteren „dicken Scheibe“ umgeben, die ältere, weiter verteilte Sterne enthält. Schließlich umgibt ein meist kugelförmiger Halo diese Strukturen; Es besteht größtenteils aus dunkler Materie, enthält aber auch Sterne und diffuses heißes Gas.

Um Karten dieser Strukturen zu erstellen, greifen Astronomen auf einzelne Sterne zurück. Die Zusammensetzung jedes Sterns zeichnet seinen Geburtsort, sein Alter und seine Geburtsbestandteile auf, so dass die Untersuchung des Sternenlichts eine Form der galaktischen Kartographie – und auch der Genealogie – ermöglicht. Durch die zeitliche und örtliche Positionierung von Sternen können Astronomen die Geschichte zurückverfolgen und daraus schließen, wie die Milchstraße Stück für Stück über Milliarden von Jahren entstanden ist.

Der erste große Versuch, die Entstehung der ursprünglichen Milchstraße zu untersuchen, begann in den 1960er Jahren, als Olin Eggen, Donald Lynden-Bell und Alan Sandage, der ehemalige Doktorand von Edwin Hubble, argumentierten, dass die Galaxie aus einer rotierenden Gaswolke zusammengebrochen sei. Lange Zeit danach glaubten Astronomen, dass die erste Struktur, die in unserer Galaxie entstand, der Halo sei, gefolgt von einer hellen, dichten Sternscheibe. Als leistungsstärkere Teleskope online gingen, erstellten Astronomen immer präzisere Karten und begannen, ihre Vorstellungen darüber zu verfeinern, wie die Galaxie entstand.

Alles änderte sich im Jahr 2016, als die ersten Daten des Gaia-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation zur Erde zurückkehrten. Gaia misst präzise die Bahnen von Millionen Sternen in der gesamten Galaxie und ermöglicht es Astronomen, herauszufinden, wo sich diese Sterne befinden, wie sie sich durch den Weltraum bewegen und wie schnell sie sich bewegen. Mit Gaia konnten Astronomen ein schärferes Bild der Milchstraße zeichnen – eines, das viele Überraschungen offenbarte.

Die Ausbuchtung ist nicht kugelförmig, sondern erdnussförmig und Teil eines größeren Balkens, der die Mitte unserer Galaxie überspannt. Die Galaxie selbst ist verzogen wie die Krempe eines abgenutzten Cowboyhutes. Die dicke Scheibe ist ebenfalls aufgeweitet und wird zu den Rändern hin dicker. Möglicherweise hat sie sich bereits vor dem Halo gebildet. Astronomen sind sich nicht einmal sicher, wie viele Spiralarme die Galaxie wirklich hat.

Die Karte unseres Inseluniversums ist nicht mehr so ​​übersichtlich, wie es einst schien. Noch so ruhig.

„Wenn man sich ein traditionelles Bild der Milchstraße anschaut, hat man diesen schönen kugelförmigen Halo und eine schöne, regelmäßig aussehende Scheibe, und alles ist irgendwie ruhig und stationär. Aber was wir jetzt wissen ist, dass sich diese Galaxie in einem Ungleichgewichtszustand befindet“, sagte er Charlie Conroy, ein Astronom am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. „Dieses Bild, dass es einfach und gut geordnet ist, wurde in den letzten Jahren wirklich verworfen.“

Eine neue Karte der Milchstraße

Drei Jahre nachdem Edwin Hubble erkannte, dass Andromeda eine eigenständige Galaxie war, waren er und andere Astronomen damit beschäftigt, Hunderte von Inseluniversen abzubilden und zu klassifizieren. Diese Galaxien schienen in einigen vorherrschenden Formen und Größen zu existieren, daher entwickelte Hubble ein grundlegendes Klassifizierungsschema, das als Stimmgabeldiagramm bekannt ist: Es unterteilt Galaxien in zwei Kategorien: elliptische und spiralförmige Galaxien.

Astronomen verwenden dieses Schema immer noch, um Galaxien, einschließlich unserer, zu kategorisieren. Derzeit ist die Milchstraße eine Spirale, deren Arme die Hauptkinderstube für Sterne (und damit für Planeten) sind. Ein halbes Jahrhundert lang glaubten Astronomen, dass es vier Hauptarme gäbe: den Schützen-, Orion-, Perseus- und Cygnus-Arm (wir leben in einem kleineren Ableger, der einfallslos Lokalarm genannt wird). Aber neue Messungen von Überriesensternen und anderen Objekten zeichnen ein anderes Bild, und Astronomen sind sich nicht mehr einig über die Anzahl der Arme oder ihre Größe oder sogar darüber, ob unsere Galaxie ein Sonderling unter den Inseln ist.

„Auffällig ist, dass fast keine äußeren Galaxien vier Spiralen aufweisen, die sich von ihrem Zentrum bis zu ihren äußeren Regionen erstrecken.“ Xu Ye, sagte ein Astronom am Purple Mountain Observatory in China in einer E-Mail.

Um die Spiralarme der Milchstraße zu verfolgen, nutzten Ye und Kollegen Gaia und bodengestützte Radioteleskope, um nach jungen Sternen zu suchen. Sie fanden heraus, dass die Milchstraße, wie andere Spiralgalaxien auch, nur zwei Hauptarme hat, Perseus und Norma. Mehrere lange, unregelmäßige Arme winden sich ebenfalls um seinen Kern, darunter der Centaurus-, Sagittarius-, Carina-, Außen- und Lokalarm. Es scheint, dass die Milchstraße, zumindest in ihrer Form, entfernten kosmischen Inseln ähnlicher sein könnte, als Astronomen dachten.

„Die Untersuchung der spiralförmigen Milchstraße könnte zeigen, ob sie unter den Milliarden von Galaxien im beobachtbaren Universum einzigartig ist“, schrieb Ye.

Kosmische Küsten

Hubbles Studie über Andromeda und seinen veränderlichen Stern entstand aus seiner heftigen Rivalität mit einem anderen berühmten Astronomen am Mount Wilson, Harlow Shapley. Die Harvard-Astronomin Henrietta Swan Leavitt war Pionierin bei der Verwendung veränderlicher Sterne der Cepheiden zur Messung von Entfernungen, und mit ihrer Methode hatte Shapley berechnet, dass die Milchstraße einen Durchmesser von 300,000 Lichtjahren hatte – eine erstaunliche Behauptung im Jahr 1919, als die meisten Astronomen glaubten, die Sonne sei 3,000 Lichtjahre groß im Zentrum der Galaxie und dass sich die gesamte Galaxie über XNUMX Lichtjahre erstreckte. Shapley bestand daher darauf, dass andere „Spiralnebel“ Gaswolken und keine separaten Galaxien sein müssten, da sie aufgrund ihrer Größe unvorstellbar weit entfernt seien.

Hubble wiederum schrieb seine Messungen der veränderlichen Sterne nieder und überzeugte alle davon, dass Andromeda tatsächlich eine separate Galaxie sei. „Hier ist der Brief, der mein Universum zerstört hat“, soll Shapley gesagt haben, nachdem er Hubbles Daten gesehen hatte.

Was die astronomischen Entfernungen angeht, war Shapley jedoch möglicherweise nicht so weit entfernt. Im vergangenen Jahrhundert haben Astronomen berechnet, dass die Ausbuchtung der Milchstraße einen Durchmesser von etwa 12,000 Lichtjahren hat, dass die Scheibe 120,000 Lichtjahre umfasst und dass sich der Halo aus dunkler Materie und alten Sternhaufen über Hunderttausende Lichtjahre erstreckt jede Richtung.

Eine aktuelle Beobachtung fanden heraus, dass einige Halo-Sterne bis zu einer Million Lichtjahre entfernt sind – auf halbem Weg nach Andromeda – was darauf hindeutet, dass der Halo und damit die Galaxie kein eigenständiges Inseluniversum ist.

Astronomen geführt von Jesse Han, ein Doktorand am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, stellte kürzlich fest, dass der Sternhalo nicht wie lange angenommen kugelförmig, sondern wie ein Fußball geformt ist. Bei der Arbeit veröffentlicht am 14. SeptemberHan und sein Team zeigten außerdem, dass der Halo aus dunkler Materie um etwa 25 Grad geneigt sein könnte, was dazu führen könnte, dass die gesamte Galaxie verzerrt aussieht.

Und obwohl das seltsam erscheinen mag, könnte die Neigung selbst ein Beweis für die gewalttätige Vergangenheit der Milchstraße sein.

Eine Störung in der Galaxis

Äonen bevor Hubble am Okular saß, lange bevor die Sonne geboren wurde, lange bevor die Milchstraße existierte, riss der Urknall alle Materie auseinander und verteilte sie wahllos im neugeborenen Kosmos. Die ersten Galaxien bildeten sich schließlich aus zufälligen Trümmerstücken und leiteten eine 13 Milliarden Jahre dauernde Sequenz ein, die zu uns führte. Astronomen debattieren über die Komplexität dieser Ereignisse, aber sie wissen, dass die Galaxie, in der wir heute leben, durch einen komplexen Prozess gewachsen ist, der Fusionen und Übernahmen umfasste.

Überall im Universum kollidieren Galaxien und verschmelzen zu unvorstellbar gewaltigen Katastrophen. Das nach Edwin Hubble benannte Teleskop erfasst diese kosmischen Massenkarambolagen bei jeder Einstellung. Und auch wenn es heute relativ ruhig ist, ist die Milchstraße keine Ausnahme: Durch die Durchsicht der archäologischen Aufzeichnungen von Sternen, Gasströmen, sogenannten Kugelsternhaufen von Tausenden bis Millionen von Sternen und sogar den Schatten verschlungener Zwerggalaxien, Wissenschaftler erfahren mehr über die Entstehung der Milchstraße.

Die ersten Hinweise auf Gewalt gab es, als Astronomen 200 beim Blick durch das sagenumwobene 1992-Zoll-Teleskop am Palomar-Observatorium (das Hubble als erster nutzte) Hinweise darauf fanden, dass die Milchstraße einige der Kugelsternhaufen in ihrem Halo auseinanderriss. Der Sloan Digital Sky Survey bestätigte diese Beobachtung, und Radioteleskope stellten später fest, dass die Galaxie ebenfalls atmete Gasströme in der Nähe.

Mitte 2018 gingen Astronomen davon aus, dass die Milchstraße im Laufe ihres Lebens mit einigen kleinen Galaxien verschmolzen war, die meisten davon jedoch kleinere Ereignisse waren. Es wurde angenommen, dass die größte jüngste Verschmelzung vor 10 Milliarden Jahren die Sagittarius-Zwerg-Ellipsengalaxie betraf, die dem Sternhalo der Milchstraße Gasströme und Sterngruppen spendete. Doch die Astronomen verstanden diese Objekte erst vollständig, als der Gaia-Satellit 2018 seinen zweiten Datensatz veröffentlichte.

Als Astronomen die detaillierten Bewegungen und Positionen von etwa einer Milliarde Sternen untersuchten, traten Anzeichen einer größeren Störung in der Galaxie zutage – sie sahen galaktische Trümmer im Halo. Dort kreisen einige Sterne in extremen Winkeln und haben eine andere Zusammensetzung als andere, was darauf hindeutet, dass sie woanders entstanden sind.

Astronomen betrachteten diese seltsamen Sterne als Beweis für eine gigantische Kollision zwischen der Milchstraße und einer anderen Galaxie. Die Verschmelzung, die wahrscheinlich vor 8 bis 11 Milliarden Jahren stattfand, hätte die junge Milchstraße katastrophal zerstört, die andere Galaxie in Stücke gerissen und einen Feuersturm der Entstehung neuer Sterne ausgelöst.

Die Überreste der kollidierenden Galaxie heißen jetzt Gaia-Sausage-Enceladus, ein Ergebnis der Entdeckung zweier Teams unabhängig voneinander, die Überreste der Fusion entdeckten. Ein Team benannte es nach der griechischen Gottheit Gaia, der Urmutter der Erde und allen Lebens, und ihrem Sohn Enceladus. Der andere bemerkte, dass die Reste wie eine Wurst aussahen. (Einige Astronomen Streit dass die einfallende Galaxie die einzige war, die daran beteiligt war, was stattdessen darauf hindeutet, dass viele kleinere Kollisionen über einen längeren Zeitraum zu den Strukturen geführt haben könnten, die wir jetzt sehen.)

Die Verschmelzung veränderte alles: den Verlauf des Halos, der inneren Ausbuchtung und der abgeflachten Scheibe der Milchstraße.

Jetzt verwenden Astronomen verschiedene Instrumente, um den Zeitpunkt der Massenkarambolage zwischen Gaia, Sausage und Enceladus zu verstehen und wie die junge Milchstraße infolgedessen heranwuchs.

Im März 2022 wurde Maosheng Xiang und Hans-Walter Rix vom Max-Planck-Institut für Astronomie begann mit der Definition der Milchstraße 1.0, der Protogalaxie, die vor jeglichen Fusionen existierte. Sie taten dies mit antiken Mitteln Unterriesige Sterne die kleiner als die Sonne sind, ihren Wasserstoff als Treibstoff aufgebraucht haben und jetzt aufblähen. Die Helligkeit eines Unterriesensterns entspricht seinem Alter und sein Licht dient als Fingerabdruck seines Geburtsmaterials. Als Xiang und Rix diese Hinweise nutzten, um auf die Migrationsgeschichte einer Viertelmillion Unterriesensterne zu schließen, stellten sie fest, dass sich die dicke Scheibe früher bildete als in Galaxienentstehungstheorien erwartet – vor 13 Milliarden Jahren, kaum einen Wimpernschlag nach dem Urknall .

Populäre kosmologische Theorien gehen davon aus, dass es nach dem Urknall länger hätte dauern müssen, bis sich solch große, klar definierte Strukturen bildeten. Und doch immer wieder auftauchen in den Beobachtungen entfernter Galaxien des James Webb-Weltraumteleskops, sagte Rosmarin Wyse, ein Astrophysiker an der Johns Hopkins University.

„Man kann die Art und Weise, wie wir glauben, dass sich unsere Galaxie gebildet hat, mit dem in Verbindung bringen, was JWST sieht. Können wir ein zusammenhängendes Bild davon haben, wie eine Galaxie entstanden ist? Ist unsere Galaxie typisch?“ Sie sagte.

Die dicke Scheibe könnte schon vor der Hauptverschmelzung existiert haben, aber die dünne Scheibe fiel mit der Ankunft von Gaia-Sausage-Enceladus zusammen, fanden Xiang und Rix heraus. Dieser zweigleisige Zusammenbauprozess, der unterschiedliche Sternscheiben erzeugt, könnte weit verbreitet sein und für die Sternentstehung von entscheidender Bedeutung sein. Die Geburtenraten sind seit diesem Wahnsinn zurückgegangen, aber die Milchstraße bringt immer noch etwa 10 bis 20 neue Sterne pro Jahr hervor.

Yuxi (Lucy) Lu, der gerade von der Columbia University zum American Museum of Natural History gewechselt ist, wollte die Geschichte der galaktischen Scheibe und ihre Veränderungen im Laufe der Zeit verstehen. Zu diesem Zweck untersuchte sie, wie chemische Veränderungen im Laufe der Lebensdauer von Sternen dabei helfen könnten, ihre Geburtsorte zu identifizieren. Sie konzentrierte sich auf ähnliche bauschige Unterriesensterne und fand in einer neuen, unveröffentlichten Arbeit heraus, dass metallreiche Unterriesen – solche mit einer Fülle an Elementen, die schwerer als Helium sind – etwa zur Zeit der Gaia-Sausage-Enceladus-Fusion ernsthaft zu wachsen begannen. vor 11 bis 8 Milliarden Jahren.

Die Beweise für Gaia-Sausage-Enceladus häufen sich weiterhin. Doch was die Astronomen immer noch nicht verstehen, ist, warum die Lage seitdem ruhig ist. Die chemische und strukturelle Geschichte der Milchstraße scheine untypisch zu sein, sagte Lu.

Andromeda beispielsweise hat eine viel gewalttätigere Geschichte als die Milchstraße. Es wäre seltsam, wenn unsere Galaxie so lange in Ruhe gelassen würde, wenn man die Geschichte anderer Galaxien und das vorherrschende kosmologische Modell bedenkt, das besagt, dass Galaxien wachsen, indem sie ineinander stoßen, sagte Wyse. „Die Fusionsgeschichte ist ungewöhnlich, ebenso die Montagegeschichte. Ob wir im Universum tatsächlich ungewöhnlich sind … ich würde sagen, ist noch eine offene Frage“, sagte sie.

Geburt einer neuen Insel

Während Astronomen die Vergangenheit der Galaxie rekonstruieren, untersuchen andere, wie sich die Nachbarschaften der Galaxie möglicherweise so stark voneinander unterscheiden wie Städte und Vororte – eine Möglichkeit, die die Frage aufwirft, wie Planeten (und möglicherweise Leben) in der Galaxie verteilt sind.

Hier bildeten sich um einen bestimmten Stern im lokalen Arm acht Planeten um die Sonne – vier steinige und vier gasförmige. Aber andere Waffen können anders sein. Diese Umgebungen könnten unterschiedliche Populationen von Sternen und Planeten hervorbringen, genauso wie sich spezialisierte Flora und Fauna auf Kontinenten mit unterschiedlichen Biosphären entwickeln.

„Vielleicht kann Leben nur in einer wirklich ruhigen Galaxie entstehen. „Vielleicht kann Leben nur um einen wirklich ruhigen Stern herum entstehen“, sagte er Jessie Christiansen, ein Astronom am California Institute of Technology, der galaktische Bedingungen und ihre Auswirkungen auf die Planetenbildung untersucht. „Bei dieser statistischen Stichprobe von einem ist es so schwer; Alles [über unsere Galaxie] kann wichtig sein, oder nichts kann wichtig sein.“

Ein Jahrhundert nachdem Edwin Hubble „VAR!“ gekritzelt hatte Auf einer Glasplatte verändert die Vielfalt der Galaxien, die sich im Sichtfeld von JWST auflösen, unser Wissen über den Kosmos und unseren Platz darin. So wie wir die Milchstraße als astrophysikalisches Observatorium nutzen können, um das Universum im weiteren Sinne zu verstehen, können wir das Universum im weiteren Sinne und seine Milliarden von Galaxien auch nutzen, um unsere Heimat und unsere Entstehung zu verstehen.

Astronomen orientieren sich weiterhin an Hubbles Spielbuch und untersuchen Andromeda, die schwache Ellipse am Nordhimmel. So wie Gaia es näher an seinem Heimatort getan hat, wird das Dark Energy Spectroscopic Instrument am Kitt Peak National Observatory einzelne Sterne in Andromeda vermessen und ihre Bewegungen, ihr Alter und ihre chemische Häufigkeit untersuchen. Wyse plant außerdem, mit dem Subaru-Teleskop auf dem Mauna Kea einzelne Sterne in der Galaxie nebenan zu untersuchen.

Dies wird einen neuen Blick auf die Vergangenheit von Andromeda und einen neuen Vergleich für unsere eigene Galaxie ermöglichen. Es wird auch einen schwachen Einblick in die sehr ferne Zukunft bieten. Unsere Galaxie wird schließlich zwei kleine nahegelegene Galaxien zerstören, die Große und die Kleine Magellansche Wolke, die durch den Weltraum in unsere Richtung schreien. Unsere Galaxie beginnt bereits, sie zu verdauen.

„Wenn wir das alles in einer Milliarde Jahren beobachten würden, würde es viel chaotischer aussehen“, sagte Conroy. „Wir befinden uns gerade in einer Zeit, in der es relativ ruhig ist.“

Als nächstes wird auch Andromeda zu uns kommen. Die Galaxie, die Edwin Hubbles Glasplatten umspannt, wird kein Inseluniversum mehr sein. Andromeda und die Milchstraße werden sich spiralförmig aufeinander zubewegen, wobei ihre Sternhöfe zusammenwirbeln. Im Laufe unvorstellbarer Zeitskalen werden sich die Scheiben auch verbinden, kaltes Gas erhitzen und es veranlassen, zu kondensieren und neue Sterne zu entzünden. An den Rändern der Struktur, die als nächstes gebaut wird, werden neue Sonnen entstehen und mit ihnen neue Planeten. Aber im Moment ist alles ruhig, hier im lokalen Arm der einzigen Galaxie, die wir jemals kennen werden.