Kugelsternhaufen sind dicht gepackte Ansammlungen von alten Sternen. Sie haben eine etwa kugelförmige Gestalt und enthalten Hunderttausende, manchmal sogar Millionen von Sternen. Ihre Untersuchung hilft den Astronomen, das Alter des Universums zu schätzen oder herauszufinden, wo das Zentrum einer Galaxie liegt.
Nach Angaben der HyperPhysics-Website der Georgia State University gibt es etwa 150 bekannte Kugelsternhaufen in der Milchstraße. Die meisten sind schätzungsweise mindestens 10 Milliarden Jahre alt und enthalten einige der ältesten Sterne in der Galaxie. Die Haufen haben sich wahrscheinlich sehr früh gebildet, bevor sich die Galaxie zu einer Spiralscheibe abflachte.
Einige Kugelsternhaufen, wie Messier 13 (M13) im Sternbild Herkules, können mit bloßem Auge gesehen werden. Sie sind hübsch anzusehen, aber erst mit der Erfindung der Teleskope begannen sie in Astronomiekreisen zu glänzen. Mit Teleskopen war es möglich, die Sterne in diesen Haufen genauer zu betrachten. Es handelt sich überwiegend um rote Sterne mit geringer Masse und gelbe Sterne mit mittlerer Masse – keiner von ihnen ist massereicher als 0,8 Sonnenmassen, so HyperPhysics.
Nach Angaben der Pennsylvania State University gibt es weitere allgemeine Beobachtungen zu Kugelsternhaufen: Sie sind in allen Himmelsrichtungen zu finden, die Dichte der Sterne in einem Kugelsternhaufen ist viel größer als die Dichte der Sterne um die Sonne, und die Haufen enthalten kein Gas. Die Häufigkeit aller Elemente, die schwerer als Helium sind, beträgt nur 1 bis 10 Prozent der Häufigkeit der gleichen Elemente in der Sonne.
Physik
Globulare Haufen bildeten sich aus riesigen Molekülwolken oder riesigen Gasmassen, die beim Kollaps Sterne bilden. Da heute weniger freies Gas zur Verfügung steht als zu Beginn des Universums, können sich Kugelsternhaufen im Allgemeinen nicht bilden.
Es gibt jedoch einen Kugelsternhaufen, der sich in einer Galaxie nahe der Milchstraße bildet, der Großen Magellanschen Wolke. Das liegt daran, dass es dort ungewöhnlich viel Gas gibt, erklärte Harvey Richer, Astrophysiker an der University of British Columbia in Vancouver, Kanada, gegenüber Space.com.
Während man in Kugelsternhaufen mehrere Generationen von Sternen sehen kann, entwickeln sich die nachfolgenden Generationen aus der ersten. Die erste Generation von Sternen verschlingt den größten Teil des Gases, und wenn sie dann sterben (Millionen von Jahren später), stoßen sie das Gas aus. Das bedeutet, dass der Altersunterschied zwischen den verschiedenen Sternhaufengenerationen gering ist, weniger als 1 Prozent des Alters des Kugelsternhaufens, fügte Richer hinzu.
Die jüngeren Sterne haben schwerere Elemente und mehr Helium als ihre älteren Begleiter und weisen auch andere Bewegungen auf als die älteren Sterne. Jüngste Forschungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop ergaben, dass die ursprüngliche Population eher im Zentrum des Kugelsternhaufens liegt, während neuere Sterne langsam nach außen diffundieren.
Jeder Kugelsternhaufen bewegt sich als Ganzes in seiner Wirtsgalaxie, aber innerhalb des Haufens bewegen sich die Sterne auch einzeln und zufällig – fast wie Moleküle in einem Gas, so Richer. Die Einzelbewegungen der Sterne wirken wie ein Schutzschild, das sie davor bewahrt, irgendwann ineinander zu stürzen. Aber auch die Schwerkraft wirkt wie ein Klebstoff, der verhindert, dass der Sternhaufen auseinanderfliegt.
Globulare Haufen rotieren ebenfalls, aber nicht so stark wie eine Galaxie wie die Milchstraße. Das liegt daran, dass die ursprüngliche Gaswolke, aus der die Haufen entstanden sind, ebenfalls nicht schnell rotierte, so Richer. Allerdings ist eine leichte Rotation in den Haufen zu erkennen, da sie etwas abgeflacht sind und die Bewegung zeigen. Eine typische Rotation liegt zwischen 5 und 10 Kilometern pro Sekunde (3 bis 6 mph). Im Gegensatz dazu rotiert die Milchstraße mit 250 km/Sekunde.
Frühe Entdeckungen
Die ersten beiden offiziell entdeckten und benannten Sternhaufen im Zeitalter der Teleskope waren laut Encyclopedia Britannica M22 (im Sternbild Schütze, 1665) und Omega Centauri im Centaurus. Wie M13 ist auch Omega Centauri mit bloßem Auge sichtbar, wurde aber erst bei der Untersuchung durch ein Teleskop als Kugelsternhaufen klassifiziert.
M22 war nicht nur wegen seiner frühen Entdeckung ein bemerkenswerter Fund, sondern auch wegen des Alters der Sterne in ihm. Die Sterne sind zwischen 12 und 13 Milliarden Jahre alt, was ihn nach Angaben der Europäischen Weltraumorganisation in die Nähe der Entstehung des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren datiert.
„Das ist nicht so überraschend, da es sich um einen der hellsten Kugelsternhaufen handelt, der von der nördlichen Hemisphäre aus sichtbar ist. Er befindet sich im Sternbild Schütze, in der Nähe des galaktischen Bulge – der dichten Masse von Sternen im Zentrum der Milchstraße“, so die ESA.
Es ist schwierig, M13 mit bloßem Auge zu finden, aber wenn der Himmel besonders dunkel und klar ist, ist es möglich, so die ESA. Omega Centauri und M13 wurden beide von Edmund Halley im 18. Jahrhundert entdeckt; Halley ist vor allem als der Astronom bekannt, der herausfand, dass der Halleysche Komet in regelmäßigen Abständen zur Erde zurückkehrt.
„Wie Halley schrieb: ‚Dies ist nur ein kleiner Fleck, aber er zeigt sich dem bloßen Auge, wenn der Himmel ruhig und der Mond abwesend ist'“, schrieb die ESA. Jahrhunderte später war M13 auch das Ziel der Botschaft des Arecibo-Radioteleskops an Außerirdische im Jahr 1974.
Im Jahr 1917 stellte der Astronom Harlow Shapley bei der Untersuchung von Cepheiden, einer bestimmten Art veränderlicher Sterne innerhalb eines Sternhaufens, fest, dass diese Sterne je nach Entfernung vom Empfänger mit einer vorhersehbaren Helligkeit leuchten. Er war in der Lage, die Entfernungen zu diesen Sternen zu berechnen, was ergab, dass sich das galaktische Zentrum im Sternbild Sagitarrius befindet.
Shapley stellte auch fest, dass die Kugelsternhaufen symmetrisch um die Galaxie herum angeordnet sind, dass sie aber gleichmäßig über und unter der galaktischen Ebene angeordnet sind und die Ebene selbst zu vermeiden scheinen.
Shapleys Modell vergrößerte die Galaxie erheblich und rückte das Sonnensystem – und die Menschheit – weiter vom Zentrum weg. Shapley glaubte jedoch, dass das Universum „eine einzige, riesige, allumfassende Einheit“ sei, so das American Institute of Physics. Aufbauend auf Shapleys Forschungen entdeckte Edwin Hubble Kugelsternhaufen, die noch weiter entfernt waren – bis zu zehnmal weiter – und die sich jenseits der Milchstraße in anderen Galaxien befanden. Angesichts von Hubbles Beweisen war Shapley angeblich froh, seine Theorien widerlegt zu sehen.
Hubbles Beitrag
Das namensgebende Hubble-Weltraumteleskop war besonders produktiv bei der Betrachtung von Kugelsternhaufen, da diese nicht von der Erdatmosphäre verdeckt werden. Da die Sterne nicht mehr blinken, sind sie schärfer zu sehen. Dadurch lassen sich ihre Entfernungen und Eigenschaften leichter berechnen. Allein in einem Gebiet des Sternbilds Virgo, so schrieb die NASA 2008 in einer Mitteilung, entdeckte das Teleskop mehr als 11.000 Kugelsternhaufen.
Zur gleichen Zeit gab das Teleskop Hinweise darauf, warum M87 (das in der gleichen Region eingebettet ist) mehr Sternhaufen aufweist, als man erwarten würde. Das liegt daran, dass M87 und ähnliche Haufen in sehr dichten Bereichen des Universums entstanden sind, die günstigere Bedingungen für die Sternentstehung bieten, die in Gaswolken, den so genannten Nebeln, stattfindet.
Hubble zerstörte auch eine lange bestehende Vorstellung unter Astronomen, dass Kugelsternhaufen immer Sterne von etwa gleichem Alter enthalten. Die massereichsten Kugelsternhaufen greifen wahrscheinlich nach jedem Material, das sich in der Nähe befindet, und bringen neue Generationen von Sternen hervor, schrieb die NASA in einer früheren Mitteilung.