März 2008 – Die M81-Gruppe

9. März 2008 - g.grutzeck

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Die M81-Gruppe ist eine recht große Galaxienansammlung, die in drei Teilen vorgestellt werden soll. Zunächst geht es um den zentralen Bereich. Eingebettet in zahlreiche Zwerggalaxien (Abb. 1), sitzt hier das prominente Galaxienpaar M81 und M82 (Abb. 2). M81 ist nach Madore, Freedman und Lee (1993) 11,8 Millionen Lj entfernt [1]. Beide Galaxien, 1774 von J.E. Bode in Berlin entdeckt, haben am Himmel eine scheinbare Distanz von 38´. Setzen wir für M82 die gleiche Entfernung wie für M81 voraus, so entspricht das einem wahren Abstand von nur 130.000 Lj. Das reale Zentrum der M81-Gruppe liegt aber nicht, wie man meine könnte, zwischen M81 und M82. Diese komplexe Gruppe, bestehend aus ca. 60 Einzelgalaxien, hat ihren Schwerpunkt vielmehr etwa 2° südwestlich der beiden Hauptgalaxien (RA = 9 h 37 min, DEK = +68° 19´) [2]. Die M81-Gruppe ist vergleichbar mit der Lokalen Galaxiengruppe, in der M31 und die Milchstraße – ebenfalls von Zwerggalaxien umgeben – dominieren.
 

Galaxie

RA(2000)

h   min    s

DEK(2000)

°      ‘    "

Größe (´)

(NED)

V

(mag)

Typus

NGC 2976

09 47 15.4

+67 54 59

5,9 x 2,7

10,15

SAc pec

M81

09 55 33.2

+69 03 55

26,9 x 14,1

6,93

SA(s)ab

M82

09 55 52.7

+69 40 46

11,2 x 4,3

8,41

I0 Sbrst

NGC 3077

10 03 19.1

+68 44 02

5,4 x 4,5

9,85

I0 pec

Tab. 1: Die zentralen helleren Mitglieder der M81-Gruppe. RA und DEK nach [3], Größe, scheinbare Helligkeit und Typus nach [2].
M81 ist eine der wenigen nahegelegenen, großen Galaxien außerhalb der Lokalen Gruppe (Abb. 3 – 7). Ihr scheinbarer Durchmesser (siehe Tab. 1) entspricht bei der oben genannten Entfernung einem wahren Durchmesser von ca. 90.000 Lichtjahren. Damit ist M 81 rund 10% kleiner als unsere Milchstraße oder auch als der Andromeda-Nebel.
Die 6,9 mag helle Spiralgalaxie besticht durch einen hellen Kern in einem ausgedehnten Bulge. Das Ganze wird von verhältnismäßig symmetrisch angeordneten, dünnen Spiralarmen umgeben. Sie abzubilden, erfordert wegen ihrer blauen Eigenfarbe einen dunklen Himmel, frei von Streulicht. Zwischen Bulge und den Spiralarmen entdeckt man ausgedehnte Komplexe von Dunkelwolken. In den Spiralarmen gibt es viele kleine diffuse Flächenobjekte (Abb. 8 und 9). Es handelt sich um zahlreiche Sternassoziationen und rot leuchtende H II-Regionen, die auf eine aktive Sternbildung schließen lassen.
Nun zu M82, der kleineren Schwester von M81. Sie ist keine “edge-on-Galaxie”, wie man auf den ersten Blick vermuten könnte, sondern ein irregulärer Typ. M82 kommt lediglich auf einen wahren Durchmesser von 37.000 Lj und ist damit nur etwa 20% größer als die Große Magellansche Wolke. M82 wird auch als Prototyp der “amorphen” (= strukturlosen) Galaxien bezeichnet [4]. Sie gleicht in ihrer Form einer Zigarre und ist in ausgedehnte Staub- und Gasmassen gehüllt, die das amorphe Aussehen unterstreichen (Abb. 10). Durch diese Materie wird das Licht der enthaltenen Sterne gestreut, was wiederum für eine hohe Flächenhelligkeit und damit auch für leichte Beobachtbarkeit sorgt. Weiterhin gibt es viele dunkle Staubwolken, die M 82 durchkreuzen. Auf länger belichteten Aufnahmen zeigen sich bei gleichzeitiger Benutzung eines H-Alpha-Filters kräftige, rot leuchtende H-Alpha-Filamente, die vom Zentrum weit in den Außenbereich reichen (Abb. 11 und 12). Von Supernova-Explosionen angetrieben, expandieren diese Wasserstoff-Fetzen mit hoher Geschwindigkeit. Sie zeigen an, dass sich im Inneren der Galaxie erst kürzlich ein Ausbruch heftiger Sternentstehung (“Starburst”) abgespielt hat. Dieser war nur möglich, weil beim letzten nahen Vorübergang von M81 große Mengen an Gas aus dem intergalaktischen Bereich ins Innere von M82 geleitet wurden [5]. Wie Beobachtungen mit Radioteleskopen zeigen, ist das Gebiet zwischen M81, M82, NGC 3077 und NGC 2976 von riesigen Mengen neutralen Wasserstoffs erfüllt. Er ordnet sich in Fahnen und Bögen an, als Beweis für eine Wechselwirkung aller genannten Galaxien (Abb. 13). Dieser letzte Starburst begann vermutlich vor etwa 200 Millionen Jahren. Er hat jedoch bis vor kurzem angedauert, denn die jüngsten Sternpopulationen sind etwa 5 Millionen Jahre alt. Weitere klare Hinweise auf einen Starburst sind die zahlreichen “Supersternhaufen” im Zentrum von M82. Es handelt sich um einen Schwarm junger Kugelsternhaufen von durchschnittlich 4 Millionen Sonnenleuchtkräften – heller als jeder Kugelsternhaufen in der Lokalen Gruppe. Zum Vergleich: Die Kugelsternhaufen unserer Milchstraße sind etwa 10 bis 13 Milliarden Jahre alt! Gleichwohl konnten im M82 auch wesentlich ältere Kugelsternhaufen nachgewiesen werden, ein Zeichen dafür, dass Sternentstehungsausbrüche zu unterschiedlichen Zeiten stattgefunden haben [5, 6].M82 ist einfacher zu beobachten als M81, denn ihre mittlere Flächenhelligkeit ist mit 21,2 mag pro Quadratbogensekunde höher als die von M81 (22 mag pro Quadratbogensekunde). Infolgedessen ist der Anblick von M82 mit den durchsetzten dunklen Staubwolken in einem leistungsfähigen Teleskop beeindruckender als der Anblick von M81, deren Spiralstruktur nur bei ausgezeichneten Bedingungen wahrnehmbar ist.
Etwa 46′ südöstlich von M81 liegt NGC 3077 (Abb. 14). Man hat den Eindruck einer elliptischen Galaxie, aber lang belichtete Aufnahmen zeigen ein ähnliches Bild wie bei M82: NGC 3077 wird von Staubfahnen und leuchtenden Filamenten umgeben. Auf kräftig belichteten Aufnahmen mit dem 5-m-Spiegel des Mt. Palomar sind in der nur 20.000 Lj durchmessenden Zwerggalaxie vereinzelte helle Punktlichtquellen zu sehen [4]. Die hellsten erreichen 17 bis 18 mag. Bei einer Entfernung von 12,6 Millionen Lj [7] ergeben sich für diese punktförmigen Objekte Absoluthelligkeiten von -10 bis -11 Mag. Daraus folgt, dass es sich nicht um Einzelsterne handeln kann, sondern um Supersternhaufen, wie sie auch in M82 und in der Starburst-Galaxie NGC 1569 vorliegen. Daher wird NGC 3077 ebenfalls den Starburst-Galaxien zugerechnet. Dass diese Überlegung richtig ist, bewies vor wenigen Jahren eine Untersuchung am 3,6-m-Teleskop auf Hawaii. Im Infraroten Spektralbereich konnten in NGC 3077 zahlreiche junge Sternhaufen und Kugelsternhaufen gefunden werden, die jünger als 6 Millionen Jahre sind [8]. Fotometrische Messungen ergaben, dass die zentrale Population im zwischen 4 und 100 Millionen Jahre alt ist, während die durchschnittliche Population im Außenraum ein ungefähres Alter von 3 Milliarden Jahren hat [9]. Abb. 15, gewonnen am 1,23-m-Teleskop des deutsch-spanischen Observatoriums auf dem Calar Alto, zeigt den inneren Aufbau der Galaxie.
Die seltsame (= peculiäre) Galaxie NGC 2976 befindet sich etwa 1,4° südsüdwestlich von M81. Sie wird zwar als peculiäre Spiralgalaxie typisiert, besitzt aber weder einen Bulge noch irgendeinen Nucleus (= Kern). Auch fehlen jegliche Spiralarme (Abb. 16). Die Fläche der Galaxie wird von zahlreichen hellen Sternenwolken und dunklen Staubflecken durchsetzt und wirkt regelrecht gesprenkelt. Legt man eine Entfernung wie bei M81/82 zugrunde, so ergibt sich aus dem scheinbaren Durchmesser (Tab. 1) ein wahrer Durchmesser von nur 20.000 Lj. Damit ist NGC 2976 von der Größe her um 33% kleiner als die Große Magellansche Wolke, kann deshalb auch keine echte Spiralgalaxie sein. Wir können besser von einer Zwerggalaxie reden, die allerdings mit ihrer symmetrischen Scheibe einen “dicken Zwerg” darstellt.
NGC 2976 wurde im Februar 2002 bei einer ausgedehnten Untersuchung mit dem 1,8-m-Perkins-Teleskop des Lowell-Observatoriums auch im Optischen aufgenommen [10]. Der Detektor war ein CCD von Loral mit 2048 x 2048 Pixeln. Bei einem Seeing von 1,4″ zeigte sich die innere Struktur der Galaxie sehr deutlich (Abb. 17). Es fehlen jegliche Spiralarme, Staubwolken sind unregelmäßig verteilt. Was sich als ein kleiner Nucleus wie bei den elliptischen Zwerggalaxien andeutet, ist jedoch nur ein rötlicher Stern, dessen Intensitätsanstieg viel zu steil für einen Galaxienkern ist. Die Farbaufnahme zeigt nun allerdings etliche H II-Regionen, die quer über die Scheibe verteilt sind. Bereits 1992 konnten alle Strukturmerkmale von NGC 2976 als Isophotendarstellungen aus verschiedenen Spektralbereichen nachgewiesen werden (Abb. 18). Nach dieser wissenschaftlichen Arbeit [11] verfügt NGC 2976 über die äußere Form einer sphäroiden Zwerggalaxie, die später von einem Gasstrom durchdrungen wurde, sodass wieder eine Sternentstehung angefacht (= getriggert) werden konnte. Dies wäre recht einzigartig in der Welt der Zwerggalaxien. Tatsächlich zeigen radioastronomische Untersuchungen, dass ein intergalaktischer Gezeitenarm aus neutralem Wasserstoff M81 mit NGC 2976 verbindet [12].
Ausblick: Im zweiten Teil wird der Außenbereich der M81-Gruppe vorgestellt, im dritten geht es um einige interessante enthaltene Zwerggalaxien.

Bild 1 Bild 2
Abb. 1: Zentralbereich der M81-Gruppe. Die größeren Galaxien (gelb) sind sehr leicht bis mittelschwer zu beobachten. Die restlichen Mitglieder sind durchweg sehr lichtschwache Zwerggalaxien. Holmberg IX hat fotografisch noch die besten Nachweisaussichten! Abb. 2: Unser Schweizer Kollege Eduard von Bergen erstellte die vorliegende Aufnahme des Paares M81/82. Teleskop: ED-Apochromat (Vixen) mit 115mm Öffnung f/7,7. Montierung: Vixen Sphinx. Nachführkontrolle über einen 70-mm-Achromaten (Vixen) bei f = 2,7 m. Belichtungszeit insgesamt 42 Minuten bei 1600 ISO mit einer Canon EOS 20 Da.
Bild 3 Bild 4
Abb. 3: Harald Strauss setzte für M 81 den 14"-Hypergraphen (f/3.3) der Sternwarte Gahberg am österreichischen Attersee ein. Er belichtete 12 x 10 min mit einer ST-8. Abb. 4: M81, aufgenommen von Bruno Mattern (Hamburg). Meade RCX (12″ bei f/6,3). Kamera: ST-2000XM, Nachführung Off Axis über Giant Easy Guider, Montierung: Mauz 100.
Bild 5 Bild 6
Abb. 5: M81, aufgenommen von Bernd Koch (Sörth/Westerwald). Meade ACR 304 mm / 3048 mm, Canon EOS 5D (Baader ACF III), Gesamtbelichtung 104 min. Man vergleiche die unterschiedliche Farbwirkung im Vergleich zu Abb. 1. Abb. 6: Oliver Schneider (Leopoldshöhe) lieferte ein LH-AlphaRGB-Bild. 12-Zoll-Newton mit f = 1200 mm und Paracorr Komakorrektor, Kamera: Atik 16 HR, dazu Astronomik RGB-Filter sowie ein Astronomik H-Alpha-Filter (6 nm). Belichtungszeiten: L = 100 min, RGB und H-Alpha jeweils 25 min mit 2×2-Binning.
Bild 7 Bild 8
Abb. 7: Besonders beeindruckend: M81 nach einer Aufnahme von Johannes Schedler. Das Aufnahmeteleskop war ein 16"-Cassegrain auf einer Montierung MK-100 GEM. Kamera: SBIG STL-11000M plus Astronomik-Filter LRGB und H-Alpha. Belichtungszeiten: 18 x 10 min bei f/10 für die Luminanzaufnahme, RGB jeweils 6 x 5 min bei f/3, H-Alpha 3 x 10 min bei f/3 (dem Rotkanal zugefügt). Bildbearbeitung: MaxIm, DDP in ImagesPlus, Photoshop. Abb. 8: Damals noch ohne Korrektor, daher kleine Komafehler! Dennoch zeigt diese Aufnahme von Harald Tomsik und Peter Riepe mit dem Meller Newton-Reflektor 1120 mm / 4400 mm sehr fein aufgelöste Details aus dem östlichen Spiralarm von M81. Belichtung:  24 x 2 min mit OES LcCCD 11 N. FWHM = 1,24"
Bild 9 Bild 10
Abb. 9: Ausschnitt aus den Abb. 7 und 8 zum Vergleich, vergrößert bei Erhalt der originalen Bildauflösung. Entscheidend bei langbrennweitigen Aufnahmen ist das Seeing, welches mit optimierten instrumentellen und optischen Eigenschaften einen möglichst günstigen FWHM-Wert liefert. Abb. 10: M82, aufgenommen von Bruno Mattern. Meade RCX (12" bei f/6,3). Kamera: ST-2000XM, Nachführung Off Axis über Giant Easy Guider, Montierung: Mauz 100. Belichtungszeit: 6 x 5 min.
Bild 11 Bild 12
Abb. 11: 12-Zoll-Newton, CCD-Kamera SXV-H9, Bildautor Martin Krahn. Insgesamt 9,5 Stunden belichtet. Luminanz 216min ohne Binning, je 180 – 71 – 54 – 58 min für H-Alpha, R, G und B, die Farbkanäle jeweils 2×2-Binning. Dabei keine darks und flats. Abb. 12: M82 in voller Pracht! LRGB-Aufnahme des Astro-Teams "50°10°" (benannt nach den Koordinaten der Sternwarte Lindelbach bei Würzburg). Gundbert Banik, Ralf Mündlein und Reinhard Nürnberger setzten ein 35-cm-Teleskop ein (Typ Ritchey-Chrétien, f = 3654 mm). Kamera: SBIG ST-10 XME). Belichtung insgesamt 3 h 15 min.
Bild 13 Bild 14
Abb. 13: Links: M81, 82 und NGC 3077 im optischen Bereich (Deep Sky Survey). Rechts: Mit Hilfe der Radioastronomie wurde die Verteilung des neutralen Wasserstoffs deutlich. Bögen und Girlanden beweisen die Wechselwirkung zwischen den Galaxien. NGC 2976 wurde nicht erfasst. Abb. 14: NGC 3044 (POSS-Platte J = blauempfindlich).
Bild 15 Bild 16
Abb. 15: NGC 3077, Aufnahme mit 1,23-m-Teleskop (Calar Alto, Spanien) bei f = 9860 mm, CCD-Chip von TEK (1024 x 1024 Pixel zu je 24 Mikrometer), fotometrischer B-Filter (Johnson-Filter, nicht der B-Filter aus dem RGB-Filtersatz!), Belichtung 2 x 1000 s im Februar 1995, Pseudofarbaufnahme aus dem Schwarzweißbild. Das Bild gemäß [10] lässt sehr schön die unregelmäßige innere Struktur der Galaxie erkennen. Abb. 16: NGC 2976, bereits 2002 aufgenommen von Harald Strauß an der Gahberg-Sternwarte (Attersee/Österreich) mit einem LX200 (10 Zoll, f = 1625 mm) plus AO7. Kamera: SBIG ST-7 ohne Binning, Belichtungszeit 4 x 15 min.
Bild 17 Bild 18
Abb. 17: Nochmals NGC 2976 als BVR-Farbbild. Das Bild entstand am 1,8-m-Teleskop des Lowell Observatory [11]. Die Belichtungszeiten auf einem Loral CCD-Chip mit 2048 x 2048 Pixeln von 15 Mikrometern Kantenlänge betrugen 10 min in B und je 5 min in V und R. Dabei handelte es sich um die Johnson-Filter B, V und R, nicht um die bei Amateuren gebräuchlichen RGB-Filter. Abb. 18: Isophotendarstellung (Linien gleicher Helligkeit) von NGC 2976 nach [12]. Galaktische Vordergrundsterne sind als Sternchen markiert

Quellen:
[1]   Madore B.F., Freedman W.L., Lee M.G.: Resolved Stars in nearby Galaxies. Ground-Based Photometry of M81; AJ 106, 2243 (1993)
[2]   NASA Extragalactic Database, http://nedwww.ipac.caltech.edu/
[3]   SIMBAD, http://simbad.u-strasbg.fr/Simbad
[4]   Sandage, A., Bedke, J.: The Carnegie Atlas of Galaxies 1 + 2; Carnegie Institution of Washington, Washington 1994
[5]   de Grijs R.: Star formation timescales in M 82; Astronomy and Geophysics, 42, part no 4, 12-17 (2001)
[6]   Parmentier G., de Grijs R., Gilmore G.: Chemical evolution of the M82 B fossil starburst; MNRAS 342, 208-220 (2003)
[7]   Sakai S., Madore B.F.: Observation of the halo of NGC 3077 near the “Garland” region using the Hubble Space Telescope; ApJ 555, 280-288 (2001)
[8]   Davidge T.J.: Stars, star clusters, and dust in NGC 3077; AJ 127, 1460-1471 (2004)
[9]   Abdel-Hamid H., Notni P.: Surface Photometry of NGC 3077; Astron. Nachr. 321, 315-322 (2000)
[10]    Simon J.D., Bolatto A.D., Leroy A., Blitz L.: High-resolution measurements of the dark matter halo of NGC 2976: evidence for a shallow density profile; ApJ 596, 957-981 (2003)
[11]   Bronkalla W., Notni P., Mutter A.A.-R.: Stellar populations and dust in the galaxy NGC 2976, a low-luminosity member of the M 81 group; Astron. Nachr. 313, 1 (1992)
[12]   Boyce P.J. et al.: A blind H I survey of the M81 group; ApJ 560, L127-L130 (2001)