Die Entfernung zu Galaxien bestimmen

Größenklassen sind nicht die einzige Möglichkeit relative Entfernungen in der Astronomie zu messen. Astronomen verwenden ebenfalls die ersichtliche Größe einer Galaxie als Messung für ihre Entfernung. Desto weiter eine Galaxie entfernt ist, desto kleiner wird sie von der Erde aus wirken. Astronomen haben auch noch viele andere Eigenschaften von Galaxien hergenommen, um Entfernungen zu messen.

Aber selbst wenn du eine andere Technik verwenden würdest, um die relative Entferung der Galaxien abzuschätzen, würdest du immer noch in die selben Probleme rennen, die du in Übung 7 gesehen hast: verschiedene Galaxien haben verschiedene Eigenschaften. Nimm an, dass eine bestimmte Galaxie doppelt so groß ist, wie eine durchschnittliche Galaxie. Auf der Erde ist die einzige Information, die wir über diese Galaxie bekommen könnten, das was wir sehen. Wenn wir das größere Bild sehen würden, hätten wir keine Möglichkeit zu wissen, dass die Galaxie auch tatsächlich größer ist: wir würden einfach annehmen, dass sie näher zu uns liegen würde. Weil wir nicht wüssten wie die Galaxie wirklich aussieht, würden wir ihre eigentliche Entfernung zu uns falsch einschätzen. Weil wir die Galaxieentfernung falsch verstünden, würden wir in einem Hubble Diagramm nicht die richtigen Ergebnisse erzielen. Um diese Probleme zu umgehen, müssen wir nicht nur einzelne Galaxien beobachten, sonder auch ganze Galaxiehaufen.

Die Entfernung zu Haufen bestimmen

Ein Galaxiehaufen ist eine Ansammlung von etwa ein Tausend Galaxien, die von der Schwerkraft zusammen gehalten werden. Diese Haufen helfen das Problem der Galaxievariation zu umgehen, da sie so viele enthalten. Selbst wenn die Eigenschaften von einzelnen Galaxien stark variieren, sollten die durchschnittlichen Eigenschaften von allen Galaxien im Haufen nahe an die durchschnittlichen Eigenschaften der Galaxien im gesamten Universum kommen. Umso mehr Galaxien in dem Haufen sind, desto sicherer können wir uns sein, dass sie die durchschnittlichen Eigenschaften der Galaxien im Universum vertreten.

Alle Galaxien in demselben Haufen haben wahrscheinlich dieselbe Entfernung von uns (sowohl relativ als auch absolut). Das bedeutet, dass ihre Größenordnungen und ersichtlichen Größen, dasselbe Verhältnis haben wie ihre wirklichen oder "wahren" Helligkeiten und Größen. In anderen Worten, wenn Galaxie A in einem Haufen 3,5 mal heller aussieht als Galaxie B, dann ist sie wirklich 3,5 mal heller. Wenn wir die Galaxien in einem einzigen Haufen betrachten, können wir ein Bild der verschiedenen Galaxietypen im Universum bekommen.

Der Trick, um die Entfernungen von Galaxien abzuschätzen, ist jedoch zu wissen, welche Galaxie Bestandteil des Haufens sind. Nur weil zwei Galaxien in demselben Himmelsbereich sind, hat das nicht zu bedeuten, dass sie beide in einem Haufen sind; sie könnten in derselben Richtung liegen, aber zu unterschiedlichen Entfernungen.

Ein Gleichnis könnte dir helfen, herauszufinden, wie man Galaxien in Haufen findet. Stell dir vor, dass Galaxien wie Gebäude sind, und Haufen wie Städte. Nimm an, dass du auf einer sehr hohen Plattform auf Fermilab in Batavia, Illinois, stehst. Du schaust mit einem Teleskop über die große, flache Ebene des zentralen Illinois. Deine Aufgabe ist es die Landschaft nach Gebäuden, Dörfern und Städten zu durchmustern, und eine Karte zu machen, die ihre Positionen im Verhältnis zu dir als Mittelpunkt zeigt. Du darfst keine anderen Informationen verwenden, als das, was du durch dein Teleskop sehen kannst.

Im Prinzip könnte ein kleines Dorf, das relativ im Vordergrund steht, wie eine große Stadt aussehen, die weit entfernt ist: ein einstöckiges Gebäude wird dieselbe ersichtliche Größe haben, wie ein zehnstöckiges Gebäude, das zehn Meilen weiter entfernt zu sein scheint. Aber du wirst wahrscheinlich ein kleines Dorf nicht mit einer großen Stadt verwechseln - es gibt genug andere Informationen, die du zur Verfügung hast, um diese Vielzahl von Gebäuden in ihre richtige relative Position zu bringen.

Weißt du erst einmal welche Galaxien Mitglieder desselben Haufens sind, kannst du die Eigenschaften der einzelnen Galaxien aus verschiedenen Haufen vergleichen. Zum Beispiel sollte die durchschnittliche Größe einer Galaxie in einem Haufen in etwa dieselbe sein, wie die durchschnittliche Galaxiegröße eines anderen Haufens. Oder die hellste Galaxie eines Haufens sollte ungefähr dieselbe Helligkeit wie die hellste Galaxie eines anderen Haufens haben.

Es gibt keine "beste" Möglichkeit relative Entfernungen zu Galaxien zu messen, aber einige sind vielleicht besser als andere. Edwin Hubble und sein Mitarbeiter Milton Humason versuchten mehrere Wege, meistens bezüglich der Größenklassen der hellsten Galaxien in großen Haufen. Du solltest auch mit mehreren Möglichkeiten experimentieren die relative Entfernung zu Haufen zu bestimmen. Aber du hast es einfacher als Hubble und Humason - du hast viel bessere Daten!

Da die Eigenschaften von Galaxien so unterschiedlich sind, solltest du dieselben Messungen der relativen Entfernung für jeden Haufen verwenden, den du untersuchst. Einige Beispiele für Sachen, die Astronomen versucht haben, um die relativen Entfernungen zu Haufen zu finden, sind:

1) die sichtbaren Größen, gesehen von oben oder unten von Spiralgalaxien mit hellen Armen
2) die sichtbaren Größen von Ringen in Ringgalaxien
3) die sichtbaren Größen von seitlichen Scheibengalaxien
4) die Größenklasse von der hellsten Galaxie in einem Haufen
5) die Größenklasse der zehnthellsten (oder dritthellsten, oder fünfthellsten, etc.) Galaxie in einem Haufen
6) die sichtbare Größe des Haufens selber
7) etc.

Hast du dich einmal für eine Messung der relativen Entfernung entschieden, solltest du sie verwenden, um heraus zu finden, wie weit Galaxien bezüglich der Erde sind. Um es einfacher zu machen relative Entfernungen zwischen mehreren Galaxien und/oder Haufen zu verstehen, solltest du die Entfernungen "normieren", damit die naheste Galaxie oder Haufen eine relative Entfernung von 1 hat. Dann wird eine Galaxie, die doppelt so weit entfernt ist wie die naheste Galaxie, eine relative Entfernung von 2 haben.

Um die relativen Entfernungen zu normieren, setze ein Verhältnis zwischen der relativen Entfernung der nahesten Galaxie (1) und der zweitnahesten (2), so dass d₁ / d₂ = 1 / x, und löse dann nach x auf: die normierte Entfernung zu Galaxie 2. Wiederhole diesen Schritt, um die normierten relativen Entfernungen zu weiteren Galaxien zu finden. Wenn du alle Galaxieentfernungen normierst, so dass die naheste Galaxie eine relative Entfernung von 1 hat, wirst du ein korrektes Bild davon bekommen, wie weit jede Galaxie entfernt ist.

Relative Entfernungen für Mustergalaxien

Nun, da du ein paar Möglichkeiten kennen gelernt hast, wie man relative Entfernungen zu Galaxien bestimmt, bist du bereit dieses Wissen anzuwenden, um die relativen Entfernungen zu einigen richtigen Galaxien zu finden.

Übung 9: Schau dir das untere SDSS Bild an. Das Bild zeigt drei Galaxiehaufen in demselben Himmelsbereich. Schau dir das Bild genau an, und entscheide welche Galaxien zu welchen Haufen gehören. Mache dir ein paar Notizen darüber, welche Galaxien wohin gehören.