Kaum eine Galaxie entspricht so sehr dem Bild, das viele Menschen im Kopf haben, wenn sie sich eine Galaxie vorstellen. Zwei große Spiralarme winden sich um einen hellen Kern, dazwischen liegen dunkle Staubbahnen und leuchtende Gebiete voller junger Sterne. Am Ende eines der Arme scheint eine zweite, kleinere Galaxie zu hängen. Die Whirlpool-Galaxie, auch Messier 51 oder M51 genannt, wirkt beinahe wie eine astronomische Illustration – und ist doch ein reales Sternsystem rund 31 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Ihre außergewöhnlich deutlich ausgeprägte Spiralform ist dabei kein Zufall. M51 steht in enger Wechselwirkung mit der kleineren Nachbargalaxie NGC 5195. Deren Schwerkraft hat die große Spirale über Hunderte Millionen Jahre beeinflusst und wahrscheinlich erheblich dazu beigetragen, dass ihre Arme heute derart markant erscheinen. Gleichzeitig entstehen dort zahlreiche neue Sterne. Genau diese Kombination macht M51 zu einem der wichtigsten natürlichen Labore für die Erforschung von Spiralgalaxien.

Wie weit ist die Whirlpool-Galaxie von der Erde entfernt?

NASA gibt für M51 heute eine Entfernung von ungefähr 31 Millionen Lichtjahren an. Andere Untersuchungen und ältere Veröffentlichungen kommen je nach verwendeter Messmethode auf etwas niedrigere Werte. Deshalb findet man für die Whirlpool-Galaxie häufig Entfernungsangaben zwischen rund 25 und 31 Millionen Lichtjahren.

Das Licht, das wir heute von M51 empfangen, verließ die Galaxie also vor vielen Millionen Jahren. Wir sehen sie nicht so, wie sie gegenwärtig aussieht, sondern blicken weit in ihre Vergangenheit.

Trotz dieser gewaltigen Entfernung gehört M51 zu den vergleichsweise nahen großen Spiralgalaxien. Ihre günstige Lage spielt für die Forschung eine entscheidende Rolle: Die Galaxie ist uns fast mit ihrer gesamten Scheibe zugewandt. Astronomen sprechen von einer nahezu frontalen oder „face-on“ Orientierung. Dadurch lassen sich ihre Spiralarme, Staubstrukturen und Sternentstehungsgebiete wesentlich leichter untersuchen als bei Galaxien, die wir von der Seite betrachten.

Warum heißt M51 Whirlpool-Galaxie?

Der englische Name „Whirlpool Galaxy“ bedeutet ungefähr Strudelgalaxie oder Wirbelgalaxie. Er beschreibt ihre auffällige Spiralstruktur.

M51 besitzt zwei besonders deutlich ausgeprägte große Spiralarme. Sie ziehen sich vom Zentrum nach außen und vermitteln den Eindruck eines gewaltigen kosmischen Wirbels. Diese regelmäßig aufgebauten Systeme werden als Grand-Design-Spiralgalaxien bezeichnet. Im Gegensatz zu vielen anderen Spiralgalaxien, deren Arme unregelmäßig, verzweigt oder nur teilweise ausgeprägt sind, lässt sich das Muster bei M51 ausgesprochen klar verfolgen.

Die Bezeichnung M51 stammt dagegen aus dem berühmten Katalog des französischen Astronomen Charles Messier. Er entdeckte das Objekt 1773 und nahm es als Nummer 51 in seine Sammlung nebelartiger Himmelsobjekte auf. Dass es sich um eine riesige Ansammlung von Sternen außerhalb der Milchstraße handelt, konnte Messier damals noch nicht wissen.

Wie groß ist die Whirlpool-Galaxie?

Für den sichtbaren Hauptteil von M51 werden häufig ungefähr 60.000 Lichtjahre Durchmesser angegeben. Damit ist die Whirlpool-Galaxie deutlich kleiner als die Milchstraße, deren Sternscheibe ungefähr 100.000 Lichtjahre oder mehr umfasst.

Klein bedeutet in diesem Zusammenhang allerdings nur relativ klein. Selbst Licht benötigt rund 60.000 Jahre, um die Galaxie von einer Seite zur anderen zu durchqueren.

Innerhalb dieser Scheibe befinden sich Milliarden Sterne sowie riesige Mengen Gas und Staub. Dazu kommen Sternhaufen, kompakte Überreste ausgebrannter Sterne und ein zentrales massereiches Schwarzes Loch. Röntgenbeobachtungen zeigen außerdem zahlreiche punktförmige Quellen, bei denen es sich unter anderem um Schwarze Löcher und Neutronensterne in Doppelsternsystemen handelt.

Warum sind die Spiralarme von M51 so deutlich zu erkennen?

Hier kommt die kleine Nachbargalaxie NGC 5195 ins Spiel.

Auf vielen Bildern sieht es so aus, als befände sie sich direkt am Ende eines Spiralarms von M51. Hubble-Beobachtungen zeigen, dass NGC 5195 tatsächlich hinter Teilen der Whirlpool-Galaxie vorbeizieht. Beide Systeme beeinflussen sich gravitativ und befinden sich seit Hunderten Millionen Jahren in einer engen kosmischen Begegnung.

Die Gezeitenkräfte der kleineren Galaxie können Gas und Sterne in M51 beeinflussen. Gaswolken werden verdichtet, wodurch neue Sterne entstehen können. Gleichzeitig wird die Spiralstruktur verstärkt und teilweise neu geordnet.

Deshalb ist die berühmte Form von M51 möglicherweise nicht einfach eine unveränderliche Eigenschaft der Galaxie. Sie könnte zu einem erheblichen Teil das Ergebnis ihrer Wechselwirkung mit NGC 5195 sein.

Computermodelle und Beobachtungen versuchen bis heute zu rekonstruieren, wie oft beide Galaxien bereits nahe aneinander vorbeigezogen sind und wie genau diese Begegnungen die Struktur von M51 verändert haben. Sicher ist, dass die kleine Begleitgalaxie bei der heutigen Erscheinung der Whirlpool-Galaxie eine wichtige Rolle spielt.

Entstehen in der Whirlpool-Galaxie neue Sterne?

Ja – und besonders die Spiralarme sind dabei entscheidend.

Dort liegen große Mengen aus Wasserstoffgas und Staub. Wird dieses Material ausreichend stark verdichtet, können einzelne Bereiche unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Daraus entstehen neue Sterne und ganze Sternhaufen.

Auf Hubble-Aufnahmen erscheinen solche Regionen teilweise rötlich oder rosafarben. Dabei handelt es sich um leuchtendes Wasserstoffgas, das durch energiereiche junge Sterne angeregt wird. Blaue Bereiche kennzeichnen dagegen zahlreiche heiße, junge Sterne und Sternhaufen.

Die Spiralarme sind deshalb nicht nur ein auffälliges Muster. Sie markieren Regionen, in denen die Entwicklung einer Galaxie unmittelbar sichtbar wird.

Massereiche junge Sterne leben astronomisch gesehen nur kurze Zeit. Nach wenigen Millionen Jahren können einige von ihnen als Supernova explodieren und dabei schwere Elemente sowie Energie in ihre Umgebung schleudern. Dieses Material kann später wieder Bestandteil neuer Sterne und Planetensysteme werden.

M51 zeigt diesen Kreislauf besonders deutlich.

Was hat das James-Webb-Teleskop in M51 entdeckt?

Neue Aufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops haben die bekannte Galaxie in einer völlig anderen Form sichtbar gemacht.

Webb beobachtet vor allem infrarote Strahlung. Dadurch kann es Strukturen untersuchen, die im sichtbaren Licht entweder weniger auffällig sind oder teilweise durch Staub verborgen werden. In den Webb-Aufnahmen von M51 erscheinen komplizierte Netze aus warmem Staub, Gas und Sternentstehungsgebieten. Dunklere blasenartige Bereiche zeigen Zonen, in denen junge Sterne ihre Umgebung bereits verändert haben.

Die Beobachtungen gehören zum Forschungsprogramm FEAST – Feedback in Emerging extrAgalactic Star clusTers. Dabei untersuchen Astronomen, wie junge Sterne wiederum auf die Gaswolken wirken, aus denen sie entstanden sind.

Das ist ein entscheidender Teil der Sternentstehung. Junge massereiche Sterne senden intensive Strahlung aus und erzeugen starke Sternwinde. Später können sie als Supernovae explodieren. Dadurch wird Gas erwärmt, verdrängt oder komprimiert. Sternentstehung kann dadurch an einer Stelle gestoppt und an einer anderen möglicherweise neu ausgelöst werden.

M51 bietet für solche Untersuchungen hervorragende Bedingungen, weil wir praktisch direkt auf ihre Scheibe blicken können.

Befindet sich im Zentrum von M51 ein Schwarzes Loch?

Im Kern der Whirlpool-Galaxie befindet sich ein massereiches Schwarzes Loch. Direkt sehen lässt es sich nicht. Astronomen erkennen seine Anwesenheit anhand der Bewegungen und Strukturen des umgebenden Materials sowie an der Aktivität im galaktischen Zentrum.

Besonders bekannt ist eine dunkle X-förmige Struktur, die das Hubble-Weltraumteleskop im Zentrum der Galaxie sichtbar machte. Sie entsteht durch absorbierenden Staub. Ein Teil dieser Struktur könnte zu einem nahezu von der Seite gesehenen Staubring gehören, der die unmittelbare Umgebung des Schwarzen Lochs verdeckt.

Von der Kernregion geht außerdem ein Jet aus – ein gebündelter Strom schnellen Materials. Er trifft auf Gas innerhalb der Galaxie und beeinflusst dadurch seine Umgebung.

M51 erinnert damit daran, dass auch eine äußerlich geradezu harmonisch wirkende Spiralgalaxie in ihrem Innersten von ausgesprochen energiereichen Prozessen geprägt sein kann.

Welche Rolle spielt NGC 5195?

NGC 5195 ist wesentlich kleiner als die Whirlpool-Galaxie, besitzt aber einen erstaunlich großen Einfluss auf sie.

Auf Bildern scheint eine der großen Spiralen von M51 direkt in die Begleitgalaxie überzugehen. Tatsächlich liegt NGC 5195 hinter M51. Staubbänder der großen Galaxie lassen sich vor dem Licht der kleineren Begleiterin erkennen und verraten damit ihre räumliche Anordnung.

Die Begegnung beider Galaxien hat wahrscheinlich nicht nur die Spiralarme beeinflusst. Auch die Sternentstehung wurde durch die gravitativen Störungen verstärkt. Gaswolken können bei solchen Wechselwirkungen zusammengedrückt werden, wodurch neue Sterne entstehen.

Über kosmische Zeiträume könnten sich beide Systeme weiter verändern. Galaxienbegegnungen und Verschmelzungen gehören zu den grundlegenden Vorgängen der Entwicklung großer Galaxien. Auch die Milchstraße trägt Spuren früherer Zusammenstöße mit kleineren Sternsystemen.

Was wir bei M51 beobachten, ist damit keine exotische Ausnahme, sondern ein besonders schönes Beispiel eines normalen Vorgangs im Universum.

Warum ist M51 für die Geschichte der Astronomie wichtig?

Die Whirlpool-Galaxie spielte eine besondere Rolle bei der Entdeckung der Spiralstruktur von Galaxien.

Charles Messier kannte das Objekt bereits seit 1773. Doch mit den damaligen Teleskopen erschien es vor allem als verschwommener Nebelfleck.

Erst 1845 erkannte der irische Astronom William Parsons, der dritte Earl of Rosse, mit seinem damals gewaltigen Teleskop die spiralförmige Struktur von M51. Damit war sie das erste Objekt, bei dem eine solche Spiralform deutlich festgestellt wurde.

Zu jener Zeit wusste allerdings noch niemand, was diese „Spiralnebel“ tatsächlich waren. Erst Jahrzehnte später wurde klar, dass es sich um eigenständige Galaxien außerhalb der Milchstraße handelt.

M51 stand damit schon früh im Zentrum einer Entwicklung, die unser Bild vom Universum grundlegend veränderte. Aus einem kleinen nebelartigen Fleck wurde ein gewaltiges Sternsystem mit Milliarden Sonnen.

Kann man die Whirlpool-Galaxie von Deutschland aus sehen?

Ja – allerdings nicht mit bloßem Auge.

M51 besitzt eine scheinbare Helligkeit von ungefähr 8,4 Magnituden. Unter einem dunklen Himmel lässt sich die Galaxie bereits mit kleineren Teleskopen auffinden. Sie befindet sich im Sternbild Jagdhunde (Canes Venatici), nahe der bekannten Deichsel des Großen Wagens.

Von Deutschland aus steht M51 günstig am nördlichen Himmel. Besonders im Frühjahr erreicht sie eine gute Beobachtungshöhe. Unter wirklich dunklen Bedingungen kann bereits ein kleineres Teleskop einen diffusen hellen Fleck zeigen. Mit größerer Öffnung wird auch die Begleitgalaxie NGC 5195 erkennbar.

Die berühmten Spiralarme sind visuell deutlich schwieriger. Dafür sind ein dunkler Standort, Erfahrung und ein ausreichend großes Teleskop hilfreich. Fotografisch dagegen lässt sich die typische Spiralstruktur auch mit Amateurinstrumenten eindrucksvoll darstellen.

Warum sieht M51 auf Hubble- und Webb-Aufnahmen unterschiedlich aus?

Weil Teleskope nicht zwangsläufig dasselbe Licht beobachten.

Hubble zeigt M51 unter anderem im sichtbaren Licht und offenbart die hellen jungen Sterne, rötlichen Sternentstehungsgebiete und dunklen Staubbahnen. Im nahen Infrarot kann dagegen ein größerer Teil des Staubes durchdrungen beziehungsweise seine Verteilung anders sichtbar gemacht werden.

Webb geht noch weiter in den infraroten Bereich. Dort tritt warmes Staubmaterial besonders deutlich hervor und die Galaxie bekommt ein beinahe skelettartiges Erscheinungsbild aus leuchtenden Filamenten und dunklen Hohlräumen.

Röntgenteleskope zeigen wiederum eine völlig andere Galaxie. Dort erscheinen beispielsweise extrem energiereiche Doppelsternsysteme mit Neutronensternen oder Schwarzen Löchern sowie heißes Gas.

Keine dieser Darstellungen ist „richtiger“ als die andere. Jede zeigt einen anderen physikalischen Bestandteil desselben Systems.

Was macht M51 so außergewöhnlich?

M51 ist nicht die größte bekannte Galaxie. Sie ist auch nicht die nächste große Galaxie zur Erde und besitzt nicht das massereichste bekannte Schwarze Loch.

Ihre Besonderheit entsteht aus einer selten günstigen Kombination.

Die Whirlpool-Galaxie liegt mit rund 31 Millionen Lichtjahren nahe genug, um sie detailliert untersuchen zu können. Gleichzeitig sehen wir ihre Scheibe nahezu frontal. Ihre beiden Spiralarme sind ausgesprochen deutlich ausgeprägt, und direkt daneben befindet sich eine kleinere Galaxie, deren Schwerkraft die Entwicklung der großen Spirale sichtbar beeinflusst.

Dadurch lässt sich an M51 beinahe wie in einem Lehrbuch verfolgen, wie eine Spiralgalaxie aufgebaut ist: ein heller Kern mit älteren Sternen, lange Staubbahnen, gewaltige Gaswolken, junge blaue Sternhaufen und leuchtende Sternentstehungsgebiete ziehen sich durch die Spiralarme.

Doch anders als ein Lehrbuchbild ist M51 nicht statisch.

NGC 5195 verändert die Galaxie. Neue Sterne entstehen. Massereiche Sterne explodieren irgendwann. Gas wird verdichtet oder aus Regionen herausgedrückt. Im Zentrum sitzt ein Schwarzes Loch, und die beiden Galaxien bewegen sich weiter durch ihre gemeinsame gravitative Geschichte.

Vielleicht ist genau das der Grund, warum die Whirlpool-Galaxie zu den bekanntesten Galaxien überhaupt geworden ist. Sie sieht nicht nur so aus, wie man sich eine Galaxie vorstellt.

An ihr kann man sehen, wie eine Galaxie lebt und sich verändert.

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Quellen
▪︎ NASA Science – Messier 51, The Whirlpool Galaxy
▪︎ NASA und ESA, Hubble Space Telescope – Beobachtungen der Whirlpool-Galaxie und NGC 5195
▪︎ NASA Hubble – Untersuchungen des galaktischen Zentrums von M51
▪︎ ESA und James Webb Space Telescope – Webb captures a cosmic Whirlpool
▪︎ ESA/Webb – FEAST-Beobachtungen der Sternentstehung in M51
▪︎ NASA – Multiwellenlängen-Beobachtungen von M51 mit Hubble, Chandra, Spitzer und GALEX
▪︎ European Space Agency – Untersuchungen der Spiralstruktur von M51