Kosmische Kollision

In kosmischen Maßstäben erfolgt die Bewegung trotzdem rasant. Befänden sich M31 und die Milchstraße auf direktem Kollisionskurs, müsste sich der galaktische Crash bereits in drei bis fünf Milliarden Jahren ereignen – eine vergleichsweise nahe Zukunft, in der die Sonne noch auf eine ausgedörrte, leblose Erde scheint. Allerdings hängen die Details von den spezifischen und nur ungenau bekannten Randbedingungen ab. Ein wichtiger Faktor ist der Durchmesser des von der ominösen Dunklen Materie beherrschten Halos um die Milchstraße und M31, der jeweils einige Hunderttausend Lichtjahre beträgt. Je größer er ist, desto schneller kommt es zum Crash.

Countdown zum Weltuntergang

Außerdem, und das ist entscheidend, folgt aus der Blauverschiebung nur die Radialgeschwindigkeit, also die Relativbewegung entlang der direkten Verbindungslinie zwischen Milchstraße und M31. Diese eindimensionale Sicht ist unzureichend, weil sich die beiden Galaxien auch seitlich zueinander bewegen. Daher muss man diese sogenannte Tangentialgeschwindigkeit sowie den Winkel kennen, was sich viel schwerer messen lässt. Davon hängt ab, ob sich die Galaxien frontal treffen, wie bei einem Streifschuss aneinander vorbeifliegen oder sich in einer größeren Distanz passieren und dann in einer Schleife umkehren – oder ob sie sich sogar so weit und so rasch verfehlen, dass sie sich auf Nimmerwiedersehen voneinander entfernen und die Lokale Gruppe sich schließlich in den Tiefen das Alls verstreut.

Seit den 1990er-Jahren konkurrieren diverse Berechnungen und Computersimulationen miteinander. In einer wichtigen Fachpublikation von 2008 haben Thomas J. Cox und Abraham Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, einen engen Vorbeiflug von M31 an der Milchstraße bereits in bis zu 2,8 Milliarden Jahren errechnet. Zur Verschmelzung der beiden Spiralgalaxien würde es dann schon in etwa 5,4 Milliarden Jahren kommen. Die dabei entstehende Elliptische Galaxie haben die beiden Astrophysiker „Milkomeda“ genannt – eine Wortverschmelzung von „Milky Way“ und „Andromeda“.

Neue Daten veröffentlichte 2012 ein US-amerikanisches Astronomenteam um Roeland van der Marel vom Space Tele-scope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland. Im Lauf mehrerer Jahre hatten die Wissenschaftler mit dem Hubble-Weltraumteleskop die Transversalgeschwindigkeit von Andromeda so genau wie nie zuvor gemessen. „Unsere Daten sind statistisch vereinbar mit einer Frontalkollision“, sagte van der Marel damals und veranschlagte für den Crash noch vier Milliarden Jahre. In sechs Milliarden Jahren wären Milchstraße und M31 dann zu einer einzigen Riesengalaxie verschmolzen.

Cox und Loeb gingen allerdings von anderen Kennziffern für die Galaxien aus sowie einer höheren Dichte des Intergalaktischen Mediums und einer anderen Transversalgeschwindigkeit von M33, als neuere astronomische Messungen nahelegen. Auch die Daten van der Marels und seines Teams wiesen große Fehlermargen auf. Jüngeren Abschätzungen und Simulationen zufolge wird die galaktische Annäherung langsamer erfolgen. Der Weltuntergang – zumindest hinsichtlich der grazilen galaktischen Strukturen – findet also später statt.

Enge Passage

2019 betätigten Roeland van der Marel und seine Kollegen sich erneut als Weltuntergangspropheten. Dabei kamen ihnen die Präzisionsdaten des europäischen Astrometrie-Satelliten Gaia zuhilfe, die das Verständnis unserer Galaxis grundlegend umwälzen (siehe bild der wissenschaft 3/2021, „Die wilde Geschichte der Milchstraße“). „Wir haben die Gaia-Datenbank durchkämmt und mehrere Tausend Sterne identifiziert sowie ihre Bewegung analysiert“, sagt Mark Fardal vom STScI. „Auch wenn Gaia hauptsächlich die Milchstraße untersucht, ist der Satellit empfindlich genug, um helle Sterne in Nachbargalaxien zu vermessen.“

Insgesamt 1084 Riesensterne in Andromeda und 1518 in M33 wurden von Gaia in ihren Positionen und Bewegungen bereits so genau charakterisiert, dass die Astronomen daraus gute Schlüsse ziehen können. So gelang es ihnen erstmals, die Rotation von M31 und M33 zu messen: Die Andromeda-Galaxie dreht sich mit 206 plus/minus 86 Kilometern pro Sekunde im Gegenuhrzeigersinn, die Triangulum-Galaxie mit 80 plus/minus 52 Kilometern pro Sekunde im Uhrzeigersinn.

Kombiniert und gewichtet man die Messungen von Gaia und des Hubble-Weltraumteleskops, so ergibt sich für die Andromeda-Galaxie eine Tangentialgeschwindigkeit von 57 Kilometern pro Sekunde, wobei die Unsicherheiten mit etwa plus/minus 35 Kilometern pro Sekunde nach wie sehr groß sind, berichten van der Marel und seine Kollegen. Das Ergebnis steht nicht im Widerspruch zu ihrer Studie von 2012, legt aber eine größere Seitwärtsbewegung von M31 nahe und damit eine längere Dauer bis zur vollständigen Verschmelzung. Es wird demnach wohl zu einem engen Vorbeiflug mit gut 400.000 Lichtjahren Abstand zwischen den Zentren kommen, und der wird sich nicht in 3,9 Milliarden Jahren ereignen, sondern erst in 4,5 Milliarden Jahren. Berücksichtigt man außerdem die Einflüsse von M33 und der Großen Magellan’schen Wolke, könnte sich der Abstand halbieren, die Zeit aber um eine Jahrmilliarde verlängern.

Bei der ersten Annäherung spielt der Reibungsverlust durch das Intergalaktische Medium noch kaum eine Rolle. Dann kehren die Sternenkolosse um, rasen auf gekrümmten Bahnen erneut aufeinander zu, verformen und verwirbeln sich. Das geschieht umso schneller, je größer die Dichte der Materie zwischen den Galaxien ist.

„Dann werden die Sternpopulationen der beiden Galaxien miteinander vermischt, und sie verlieren ihre flache, pfannkuchenartige Gestalt mit den um das jeweilige Zentrum kreisenden Sternen“, sagt Gurtina Besla von der Columbia University in New York. „Auch die inneren Regionen der Galaxien werden verschmelzen und ein ellipsoides Gewimmel aus zufällig verteilten Sternenbahnen bilden.“ Milkomeda entsteht – eine riesige Elliptische Galaxie.

Inzwischen hat Gaia noch genauere astrometrische Daten gewonnen und wird die Präzision bis 2025 weiter steigern, sodass die Unsicherheiten im Idealfall um den Faktor 12 abnehmen. Hinzu kommen neue Messungen von Hubble und auch des Webb-Weltraumteleskops, das in wenigen Monaten startbereit sein wird. Daher sollte sich innerhalb dieses Jahrzehnts nicht nur das Schicksal der Milchstraße und M31 signifikant besser abschätzen lassen, sondern es sollte auch möglich sein, die Bahnen der jeweiligen Begleitgalaxien zu bestimmen. Dann wird Astronomen zum ersten Mal eine dreidimensionale Kartierung der Lokalen Galaxiengruppe und deren Dynamik vorliegen, um die Entwicklung unserer kosmischen Heimat im Detail zu studieren.

Stille Durchdringung

Der Crash von Galaxien, das zeigen viele Beispiele in ferneren Himmelsregionen, geht mit drastischen Transformationen einher. Die gravitativen Gezeitenkräfte verzerren die grazilen Spiralen oft völlig, wirbeln Gas und Sterne durcheinander und schleudern einen beträchtlichen Teil davon in den intergalaktischen Raum. Gewaltige schwanz- und bogenartige Strukturen zeugen von diesen vehementen Vorgängen. Manche Galaxien werden in eine amorphe Masse verwandelt, an-dere bilden temporär ring-, rad- oder hutartige Strukturen.

Zur Kollision von Sternen kommt es höchstwahrscheinlich nicht. Deren Distanzen sind relativ zu ihrem Durchmesser typischerweise so enorm, dass sich die Galaxien in dieser Hinsicht berührungslos durchdringen. Zur Veranschaulichung: Hätte unsere Sonne die Größe eines Tischtennisballs, dann wäre ihr engster Nachbarstern, Proxima Centauri, eine 1100 Kilometer entfernte Erbse. Zwar stehen im Zentrum der Milchstraße – die in diesem verkleinerten Maßstab immer noch „astronomische“ 30 Millionen Kilometer groß wäre – die Sterne viel dichter beisammen als in Sonnennähe. Doch auch dort beträgt ihr Abstand im Mittel noch knapp 0,02 Lichtjahre, entsprechend einem Tischtennisball alle drei Kilometer.

Anders verhält es sich mit den interstellaren Gas- und Staubwolken. Sie verkeilen sich quasi ineinander, bilden heftige Stoßfronten aus und werden auf großen Skalen komprimiert oder verwirbelt.

Doch was destruktiv anmutet, ist höchst kreativ: Durch die Turbulenzen erhöht sich die Sternentstehungsrate drastisch. Ein paar Dutzend Jahrmillionen nach dem wie in Zeitlupe ablaufenden Crash der Galaxien blühen überall helle junge Sternhaufen auf und verleihen dem Trümmerfeld neuen Glanz.

Noch zehn Milliarden Jahre

Wie lange es den neuen Messungen zufolge dauern wird, bis Milkomeda entstanden ist, prognostizierte van der Marels Team nicht. Riccardo Schiavi von der Universität La Sapienza in Rom und drei Kollegen haben mit Computersimulationen nun verschiedene Modelle durchgerechnet und dabei die Unsicherheiten in der Tangentialgeschwindigkeit und intergalaktischen Dichte berücksichtigt. Je geringer erstere und je höher letztere, desto schneller kommt es zur Verschmelzung. Als wahrscheinlichsten Wert schätzen die Astronomen eine Zeitspanne von zehn Milliarden Jahren bis zu Milkomeda.

Die Riesengalaxie wird auch weiterhin die supermassereichen Schwarzen Löcher im heutigen Zentrum der Milchstraße und der Andromeda-Galaxie beherbergen. Das finstere Herz unserer Galaxis hat eine Masse von vier Millionen Sonnen, das in M31 sogar von ungefähr 140 Millionen. Das ungleiche Paar wird sich nicht ewig umkreisen, sondern immer schneller aufeinander zu spiralisieren.

Wenn sich Milkomeda gebildet hat, wird es nur noch knapp 17 Millionen Jahre dauern, bis die supermassereichen Schwarzen Löcher kollidieren, haben Riccardo Schiavi und seine Kollegen berechnet. Dabei wird das Universum förmlich erschüttert: Die freigesetzten Gravitationswellen werden etwa 1043 Joule an Energie mit sich führen – das ist fast so viel wie alle Sterne im sichtbaren Universum zusammen genommen zu diesem Zeitpunkt abstrahlen. Eine außerirdische Zivilisation, die über Gravitationswellen-Detektoren verfügt, die so empfindlich sind wie das in den 2030er-Jahren startklare Satellitentrio LISA (Laser Interferometer Space Antenna), könnte das Schwerkraftsignal dieser unheimlichen Karambolage noch in zehn Milliarden Lichtjahren Entfernung messen.

Bei dem Crash erfährt das Verschmelzungsprodukt eine Art Rückstoß. Seine Stärke hängt davon ab, wie die Rotationsachsen der beiden Schwarzen Löcher zueinander standen. Waren sie gleich ausgerichtet, bewegt sich das finale Loch nur etwa zwei Kilometer pro Sekunde vom Kollisionsort weg, im antiparallelen Fall beträgt die Geschwindigkeit bis zu 25 Kilometer pro Sekunde. Selbst das liegt zwei Größenordnungen unterhalb der Fluchtgeschwindigkeit von mindestens 3000 Kilometern pro Sekunde. „Somit wird Milkomeda auch weiterhin ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum beherbergen“, folgert Schiavis Team aus den Computersimulationen.

Fernes Nachleuchten

Falls die Umgebung des zentralen Finsterlings von Milkomeda dann nicht völlig freigefegt ist, wird er sich weiter Materie einverleiben und dabei noch massereicher werden. Dieser kosmische Fraß geschieht nicht unsichtbar, sondern entfacht ein neues Energiegewitter – dieses Mal aber in diversen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, das sichtbare Licht eingeschlossen. Entlang der Rotationsachse des Schwarzen Lochs kann sich sogar ein leuchtender Jet ausbilden – oder zwei, also je einer nach „oben“ und „unten“. Diese energiereichen Teilchenströme schießen aus vielen Quasaren und anderen Aktiven Galaxienzentren fast mit Lichtgeschwindigkeit ins All. Ein solcher Jet emittiert pro Sekunde mehr Energie in Form von Radio-, Röntgen- und Gammastrahlen sowie Licht als unsere Sonne während ihres gesamten Daseins.

Typischerweise beobachten Astronomen Jets in vielen 100 oder 1000 Millionen Lichtjahren Entfernung. Sie stammen also aus einer Zeit, in der das Universum jung war und in der Umgebung der supermassereichen Schwarzen Löcher noch viel Materie kreiste, die sie verschlingen konnten. In der gegenwärtigen Epoche sind die meisten Mittelpunkte der Galaxien elektromagnetisch unauffällig. Auch in der Milchstraße und in M31 gibt es in dieser Hinsicht nichts zu sehen – die Schwarzen Löcher haben nichts zu fressen.

Bei einer galaktischen Karambolage kann sich das schnell ändern, sobald viel neues Gas und womöglich ganze Sterne in die Fänge der Schwerkraftfallen geraten. Daher könnte die Milchstraße und/oder M31 bereits vor der Verschmelzung einen solchen Teilchenstrom erzeugen.

„Üblicherweise gelangt interstellares Gas nicht einfach in das Zentrum einer Galaxie“, sagt Marco Ajello von der Clemson University in South Carolina. „Bei einer Galaxienkollision kommen aber große Gasmassen in Bewegung. Sie können dann zu einem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch strömen.“

Dass bei der Kollision von Spiralgalaxien ein neuer Jet entstehen kann, haben Astronomen um Vaidehi Paliya und Marco Ajello nun erstmals beobachtet. Dabei verwendeten sie das 8,2-Meter-Subaru-Teleskop auf Hawaii, das 10,4-Meter-GCT (Gran Telescopio Canarias) und das 4,2- Meter-William-Herschel-Teleskop auf der Kanareninsel La Palma sowie die Radio-teleskope des Very Large Array in New Mexico und den Röntgensatelliten Chandra. Der noch relativ leuchtschwache Jet wird von der 4,3 Milliarden Lichtjahre fernen Aktiven Galaxie TXS 2116–077 ins All geschossen. Ihre Gasmassen lassen darauf schließen, dass sie nach einer früheren Begegnung gerade erneut mit einer anderen, nur 40.000 Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie ähnlicher Masse zusammenstößt.

Vielleicht vermittelt diese Beobachtung einen Blick in die ferne Zukunft der Milchstraße und M31. Mehr noch: Was sich hell in Szene setzt, wird umso schneller außer Sicht geraten. „Letztlich wird das Gas vom Schwarzen Loch verschlungen oder in den intergalaktischen Raum geblasen“, sagt Ajello. „Ohne Nachschub schaltet sich das Schwarze Loch quasi ab, und die Galaxie legt sich zur Ruhe.“