Die prognostizierte Verschmelzung von Milchstraße und Andromeda sowie das weitere Schicksal der Galaxien im sich ausdehnenden Universum
Alle Galaxien verändern sich im kosmischen Zeitmaßstab ständig: Sie wachsen durch Verschmelzungen, verändern sich allmählich durch interne Prozesse und nähern sich manchmal unvermeidlich Kollisionen mit benachbarten Galaxien. Die Milchstraße, in der wir leben, ist keine Ausnahme: Sie bewegt sich in der Umgebung der Lokalen Galaxiengruppe (LG), und Beobachtungen zeigen, dass sie auf eine Kollision mit ihrem größten Begleiter – der Andromedagalaxie (M31) – zusteuert. Diese beeindruckende Verschmelzung, auch „Milkomeda“ genannt, wird unseren lokalen Kosmos in einigen Milliarden Jahren grundlegend verändern. Doch selbst nach diesem Ereignis wird die schnelle Expansion des Universums eine noch umfassendere Geschichte der Isolation von Galaxien und ihres endgültigen Schicksals bestimmen. In diesem Artikel besprechen wir, warum und wie die Milchstraße mit Andromeda kollidieren wird, mögliche Folgen der Verschmelzung für beide Galaxien und die langfristige Zukunft der Galaxien im Kontext der sich ausdehnenden Expansion des Universums.
1. Die bevorstehende Verschmelzung: Milchstraße und Andromeda
1.1 Belege für die Kollisionsbahn
Genaue Messungen der Bewegung von Andromeda relativ zur Milchstraße zeigen, dass sie sich im Zustand des Blauverschiebung befindet – sie nähert sich uns mit etwa 110 km/s. Frühere Radialgeschwindigkeitsstudien deuteten auf eine mögliche zukünftige Kollision hin, doch die transversale Geschwindigkeit von Andromeda war lange unklar. Daten vom Hubble-Weltraumteleskop und spätere Verfeinerungen (einschließlich Gaia-Beobachtungen) ermöglichten die Bestimmung der Eigenbewegung von Andromeda und bestätigten, dass sie in etwa 4–5 Milliarden Jahren mit unserer Milchstraße kollidieren wird [1,2].
1.2 Kontext der Lokalen Galaxiengruppe
Andromeda (M31) und die Milchstraße sind die beiden größten Galaxien in der Lokalen Galaxiengruppe – einer kleinen Galaxienansammlung mit einem Durchmesser von etwa 3 Millionen Lichtjahren. Die Dreiecksgalaxie (M33), die nahe bei Andromeda liegt, könnte ebenfalls in die zukünftige Kollision einbezogen werden. Verschiedene Zwerggalaxien (z. B. die Magellanschen Wolken, andere Begleiter) am Rand der LG könnten ebenfalls Gezeitenstörungen erfahren oder Satelliten des verschmelzenden Systems werden.
1.3 Zeiträume und Kollisionsdynamik
Simulationen zeigen, dass die erste Kollision von Andromeda und Milchstraße in etwa 4–5 Mrd. Jahren stattfinden wird, möglicherweise mit mehreren nahen Vorbeiflügen vor der endgültigen Koaleszenz in ~6–7 Mrd. Jahren. Während dieser Annäherungen:
- Gezeitenkräfte werden die Scheibenstruktur dehnen und können Gezeitenstrahlen oder ringförmige Strukturen erzeugen.
- Sternentstehung wird in Regionen mit überlappenden Gasansammlungen kurzzeitig intensiviert.
- Die "Fütterung" des Schwarzen Lochs kann in den Kernregionen zunehmen, wenn Gas in das Zentrum fließt.
Letztlich wird diese Galaxie wahrscheinlich zu einer massiven elliptischen oder Linsengalaxie verschmelzen, genannt „Milkomeda“, in der die Sterne beider Spiralen [3] verschmelzen.
2. Mögliche Ergebnisse der „Milkomeda“-Verschmelzung
2.1 Elliptisches oder massives sphäroidales Überbleibsel
Hauptsächlich zerstören Verschmelzungen, besonders zwischen zwei Spiralgalaxien ähnlicher Masse, die Scheibenstrukturen und formen eine druckunterstützte Sphäroidstruktur, die für elliptische Galaxien charakteristisch ist. Das endgültige Aussehen von „Milkomeda“ wird wahrscheinlich abhängen von:
- Geometrie der Orbits – wenn die Wechselwirkung zentralsymmetrisch ist, kann sich eine typische elliptische Struktur bilden.
- Verbleibende Gasmenge – falls noch ungenutztes oder nicht ausgestoßenes Gas vorhanden ist, könnte sich eine Linsen-(S0)-Galaxie mit schwacher Scheiben- oder Ringstruktur bilden.
- Halo der Dunklen Materie – der gemeinsame Halo der Milchstraße und Andromeda bildet die gravitative Umgebung, die bestimmt, wie sich die Sterne verteilen.
Modelle, die Spiralgalaxien mit viel Gas untersuchen, zeigen starke Sternentstehungsausbrüche bei Verschmelzungen, aber nach 4–5 Mrd. Jahren werden die Gasreserven der Milchstraße geringer sein, sodass die Sternentstehung während der Verschmelzung weniger intensiv sein könnte als im frühen Universum [4].
2.2 Zentrale Wechselwirkung der LG
Das Schwarze Loch der Milchstraße (Sgr A*) und das größere Schwarze Loch von Andromeda können sich im Laufe der Zeit durch dynamische Reibung verschmelzen. In den letzten Momenten der Verschmelzung könnten starke Gravitationswellen freigesetzt werden (wenn auch kosmologisch nicht so intensiv wie in massereicheren oder weiter entfernten Systemen). Die verschmolzenen Schwarzen Löcher verbleiben im Zentrum der neuen elliptischen Galaxie und könnten für eine gewisse Zeit als AGN strahlen, wenn genügend Gas vorhanden ist.
2.3 Schicksal des Sonnensystems
Während der Verschmelzung wird die Sonne etwa so alt sein wie jetzt – das Universum nähert sich dem Ende der späten Wasserstoffverbrennung. Die Leuchtkraft der Sonne wird zunehmen und die Erde unbewohnbar machen, trotz der galaktischen Kollision. Dynamisch wird das Sonnensystem wahrscheinlich im Zentrum der neuen Galaxie (oder am Rand des Halos) weiter kreisen, aber es ist unwahrscheinlich, dass es von einem Schwarzen Loch [5] ausgestoßen oder verschluckt wird.
3. Entwicklung anderer Galaxien der Lokalen Gruppe und ihrer Zwergsatelliten
3.1 Dreiecksgalaxie (M33)
M33, die drittgrößte Spiralgalaxie der VG, umkreist Andromeda und könnte in den Milkomeda-Prozess einbezogen werden. Je nach Bahn könnte M33 später mit dem verschmolzenen Andromeda-Milchstraßen-System fusionieren oder durch Gezeitenkräfte zerstört werden. Diese Galaxie enthält relativ viel Gas, sodass ihre endgültige Verschmelzung eine spätere Erhöhung der Sternentstehung im Gesamtsystem auslösen könnte.
3.2 Wechselwirkungen von Zwergsatelliten
Die VG besitzt Dutzende Zwerggalaxien (z. B. Magellansche Wolken, Pfeilzwerg, u.a.). Einige von ihnen könnten durch bevorstehende Verschmelzungen zerstört oder in den Milkomeda-Komplex integriert werden. Über Milliarden von Jahren können zahlreiche kleine Verschmelzungen den Sternenhalo weiter vergrößern und das Endsystem verdichten. So setzt sich die hierarchische Wechselwirkung auch nach der Hauptspiralkoaleszenz fort.
4. Kontext der weiteren Expansion des Universums
4.1 Beschleunigte Expansion und galaktische Isolation
Nach der Entstehung von „Milkomeda“ bedeutet die schnelle Expansion des Universums, angetrieben von dunkler Energie, dass Galaxien, die nicht gravitativ gebunden sind, auseinanderdriften und es schließlich unmöglich wird, kausale Verbindungen mit ihnen herzustellen. Nach mehreren zehn Milliarden Jahren wird nur die Lokale Gruppe (oder ihr Überrest) gravitativ gebunden bleiben, während alle weiter entfernten Haufenstrukturen schneller auseinanderdriften, als Licht sie erreichen kann. Schließlich werden „Milkomeda“ und ihre Satelliten zur „Insel-Universum“, getrennt von anderen Haufen [6].
4.2 Erschöpfung der Sternentstehung
Mit fortschreitender kosmischer Zeit werden die Gasressourcen schwinden. Verschmelzungen und Rückkopplungen können das verbleibende Gas erhitzen oder entfernen, und die Mengen neu einströmenden Gases aus kosmischen Filamenten nehmen in der späten Epoche ab. Nach Hunderten von Milliarden Jahren wird die Sternentstehung nahezu zum Erliegen kommen und hauptsächlich alte rote Sterne zurücklassen. Die endgültige elliptische Galaxie wird verblassen, dominiert von schwachen roten Sternen, Weißen Zwergen, Neutronensternen und Schwarzen Löchern.
4.3 Dominanz von Schwarzen Löchern und Überresten
Nach Billionen von Jahren können viele Sterne durch gravitative Wechselwirkungen aus dem Halo von Milkomeda ausgestoßen werden. Währenddessen bleibt das SMJS im Galaxienkern erhalten. Schließlich könnten Schwarze Löcher die einzigen bedeutenden Massemassen in diesem trostlosen kosmischen Hintergrund sein. Hawkings Strahlung könnte über unglaublich lange Zeiträume sogar Schwarze Löcher verdampfen lassen, doch das liegt weit außerhalb der üblichen astrophysikalischen Epochen [9, 10].
5. Erkenntnisse aus Beobachtungen und theoretischer Analyse
5.1 Beobachtung der Bewegung von Andromeda
Hablo kosmines Teleskop maß detailliert die Geschwindigkeiten von Andromeda und bestätigte die Kollisionsbahn mit einer kleinen seitlichen Komponente. Zusätzliche Daten von Gaia verfeinern die Bahnen von Andromeda und M33 weiter, was eine bessere Bestimmung der Annäherungsgeometrie [7] ermöglicht. Zukünftige astrometrische Weltraummissionen könnten den Zeitpunkt der ersten Kollision noch genauer bestimmen.
5.2 N-Körper-Simulationen der Lokalen Gruppe
Modelle, die im NASA Goddard Space Flight Center oder anderswo erstellt wurden, zeigen, dass in etwa 4–5 Milliarden Jahren die erste Kollision beginnt, nach der M31 und die Milchstraße mehrmals nahe aneinander vorbeiziehen können. Schließlich verschmelzen sie über mehrere hundert Millionen Jahre und bilden eine riesige elliptische Galaxie. Simulationen untersuchen auch die Beteiligung von M33, zurückgelassene Gezeitenstrahlen und Kern-Sternentstehungsausbrüche [8].
5.3 Schicksal entfernter Haufen außerhalb der Lokalen Gruppe
Aufgrund der kosmischen Beschleunigung entfernen sich weitere Haufen von uns – mit der Zeit überschreiten sie unsere Sichtbarkeitsgrenzen. Beobachtungen von Supernovae mit hohen Rotverschiebungen zeigen, dass dunkle Energie die Expansion des Universums dominiert, sodass das großräumige Galaxiennetz in isolierte "Inseln" zerfällt. Selbst wenn Galaxien lokal verschmelzen, entfernt sich die größere kosmische Struktur und schwächt sich in unserem Blickfeld ab.
6. Fernkosmische Zukunft
6.1 "Degeneratives" Zeitalter des Universums
Nachdem die Sternentstehung erschöpft ist, gehen Galaxien (oder verschmolzene Systeme) allmählich in das "degenerative Zeitalter" über, in dem die Hauptquelle der Populationsmasse Sternüberreste sind (Weiße Zwerge, Neutronensterne, Schwarze Löcher). Gelegentlich können zufällige Kollisionen von Braunen Zwergen oder Sternresten kurzzeitig die Sternentstehung wiederbeleben, aber im Durchschnitt ist das Universum stark abgeklungen.
6.2 Endgültige Herrschaft der Schwarzen Löcher
Nach Hunderten von Billionen Jahren können gravitative Wechselwirkungen viele Sterne aus dem Galaxienhalo hinauswerfen, während die größten Schwarzen Löcher in den Zentren verbleiben. Schließlich könnten sie der einzige bedeutende Massenreservoir im einsamen Kosmos sein. Hawking-Strahlung könnte über unvorstellbar lange Zeiten sogar diese Schwarzen Löcher verdampfen lassen, obwohl dies weit über die üblichen astrophysikalischen Epochen hinausgeht [9, 10].
6.3 Erbe der Lokalen Gruppe
Im "Dunklen Zeitalter" wird Milkomeda wahrscheinlich die einzige massive elliptische Struktur sein, die die Überreste der Sterne der Milchstraße, Andromeda, M33 und der Zwerggalaxien beherbergt. Wenn weitere Galaxien/Haufen jenseits unseres kosmologischen Horizonts liegen, bleibt lokal diese verschmolzene Insel, die allmählich in die kosmische Dunkelheit versinkt.
7. Schlussfolgerungen
Die Milchstraße und Andromeda nähern sich unvermeidlich der Verschmelzung der Galaxien an – einem Ereignis, das eine enorme Veränderung im Zentrum der Lokalen Gruppe auslösen wird. In etwa 4–5 Milliarden Jahren werden diese beiden Spiralgalaxien durch Gezeitenverzerrungen, Sternentstehungsausbrüche und Wellen der "Fütterung" schwarzer Löcher interagieren, bis sie schließlich zu einer massiven elliptischen Galaxie – der "Milkomeda" – verschmelzen. Kleinere Galaxien wie M33 könnten in diese Verschmelzung einbezogen werden, während Zwergsatelliten durch Gezeitenkräfte zerstört oder integriert werden.
Wenn man weiter blickt, wird die Ausdehnung des Universums diese neue Struktur von den übrigen Strukturen trennen und sie in Isolation einschließen, wo die Sternentstehung schließlich versiegt. Nach zehn oder hundert Milliarden Jahren werden nur noch alternde Sterne übrig sein, bis schließlich nur noch Schwarze Löcher und Sternüberreste dominieren. Doch für die nächsten paar Milliarden Jahre wird unser kosmischer Winkel recht lebendig bleiben, und die bevorstehende Kollision mit Andromeda wird das letzte große Galaxienzusammenführungsereignis in der Lokalen Gruppe sein.
Links und weiterführende Literatur
- van der Marel, R. P., et al. (2012). „Der M31-Geschwindigkeitsvektor. III. Zukünftige Umlaufentwicklung von Milchstraße–M31–M33, Verschmelzung und Schicksal der Sonne.“ The Astrophysical Journal, 753, 9.
- van der Marel, R. P., & Guhathakurta, P. (2008). „M31 Transversalgeschwindigkeit und Masse der Lokalen Gruppe aus Satellitenkinematik.“ The Astrophysical Journal, 678, 187–199.
- Cox, T. J., & Loeb, A. (2008). „Die Kollision zwischen der Milchstraße und Andromeda.“ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 461–474.
- Hopkins, P. F., et al. (2008). „Ein einheitliches, verschmelzungsgetriebenes Modell für die Entstehung von Sternexplosionen, Quasaren und Sphäroiden.“ The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
- Sackmann, I.-J., & Boothroyd, A. I. (2003). „Unsere Sonne. III. Gegenwart und Zukunft.“ The Astrophysical Journal, 583, 1024–1039.
- Riess, A. G., et al. (1998). „Beobachtungsbelege von Supernovae für ein beschleunigtes Universum und eine kosmologische Konstante.“ The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Gaia Collaboration (2018). „Gaia Data Release 2. Beobachtete Hertzsprung–Russell-Diagramme.“ Astronomy & Astrophysics, 616, A1.
- Kallivayalil, N., et al. (2013). „Dritte Epoche der Eigenbewegungen der Magellanschen Wolken. III. Kinematische Geschichte der Magellanschen Wolken und das Schicksal des Magellanschen Stroms.“ The Astrophysical Journal, 764, 161.
- Adams, F. C., & Laughlin, G. (1997). „Ein sterbendes Universum: Das langfristige Schicksal und die Entwicklung astrophysikalischer Objekte.“ Reviews of Modern Physics, 69, 337–372.
- Hawking, S. W. (1975). „Teilchenerzeugung durch Schwarze Löcher.“ Communications in Mathematical Physics, 43, 199–220.