Die Andromedagalaxie, auch (veraltet) Andromedanebel oder Großer Andromedanebel genannt, ist mit rund 2,5 Millionen Lichtjahren Entfernung die am nächsten zur Milchstraße gelegene Spiralgalaxie. Sie ist zugleich das entfernteste Objekt, das unter guten Bedingungen ohne technische Hilfsmittel mit bloßem Auge beobachtet werden kann. Sie liegt im Sternbild Andromeda, von dem auch ihr Name stammt. Häufig wird sie auch kurz als M31 bezeichnet nach ihrem Eintrag im Messier-Katalog.
Die Andromedagalaxie ähnelt der Milchstraße. Beide Galaxien beherbergen die gleichen Arten von astronomischen Objekten, aus der „äußeren“ Perspektive auf die Andromedagalaxie besteht jedoch eine bessere Sicht auf die Struktur. Es sind dunkle Staubbänder, Sternentstehungsgebiete und im Außenbereich über 200, möglicherweise 500 Kugelsternhaufen auszumachen. Auch können in immer größeren Bereichen ihre einzelnen Sterne beobachtet werden. Die Galaxie weist im Zentrum ein massereiches Schwarzes Loch von etwa 100 Millionen Sonnenmassen auf, Spiralarme erstrecken sich davon bis zu einer Distanz von rund 80.000 Lichtjahren aus, ihr Halo durchmisst über eine Million Lichtjahre.
Hinsichtlich des Halos ist die Andromedagalaxie das größte Mitglied der Lokalen Gruppe, einer Ansammlung gravitativ gebundener Galaxien. Die Andromedagalaxie und die ähnlich massereiche Milchstraße sind in der Lokalen Gruppe die beiden mit Abstand massereichsten Mitglieder und binden jeweils eine Vielzahl von Satellitengalaxien an sich. Die in der jüngeren Literatur angegebenen Werte für die Masse der Andromedagalaxie bewegen sich zwischen 700 und 2500 Milliarden Sonnenmassen, wovon ihre Sterne etwa 100 Milliarden Sonnenmassen ausmachen.
Die Andromedagalaxie wird seit langem wissenschaftlich untersucht. Es gelang allerdings erst Ende des 19. Jahrhunderts, dieses zuvor auch in Teleskopen nur als Nebelfleck erscheinende Objekt als Spiralnebel, gebildet aus Sternen, näher zu bestimmen. Anhand der Andromedagalaxie wurde dann in den 1920er Jahren festgestellt, dass Spiralnebel eigenständige, außerhalb der Milchstraße gelegene Sternsysteme sind. Damit schritt der Erkenntnisgewinn einher, dass das Weltall neben der Milchstraße aus zahlreichen weiteren Galaxien besteht. Abweichungen zwischen berechneter und beobachteter Rotation in der Andromedagalaxie deuteten seit etwa 1940 auf Dunkle Materie oder eine Abweichung zur Newtonschen Dynamik hin. Seit der Jahrtausendwende findet man vermehrt Spuren einer zurückliegenden Kollision mit einer anderen Galaxie.
Erforschung Erste Beschreibungen und Thesen zur Natur mini|hochkant|links|Älteste erhaltene Darstellung der Andromedagalaxie (als Punktgruppe im Maul des Fisches) in Al-Sufis Buch der Fixsterne (Kopie ca. 1010)
Die erste gesicherte Beschreibung der Andromedagalaxie stammt aus dem 10. Jahrhundert n. Chr. vom persischen Astronomen Al-Sufi, der sie „die kleine Wolke“ nannte. Charles Messier schrieb bei der Eintragung in seinen Katalog die Entdeckung allerdings Simon Marius zu. Tatsächlich hatte dieser sie 1612 als erster durch ein Teleskop beobachtet und dabei festgestellt, dass er den Andromedanebel auch mit dem Fernrohr nicht in einzelne Sterne auflösen konnte. Daher stammt auch die Bezeichnung Andromedanebel.
Mit dem technischen Fortschritt durch das Teleskop kam jedoch bald darauf die – anfangs wenig beachtete – Idee auf, dass diese damals vereinzelt gefundenen, als nebelhaften Sterne bezeichneten Objekte des Firmamants dennoch eigene, entfernte Welten mit wiederum eigenem Firmament sein könnten: So vermutete Christopher Wren in einer Vorlesung über die Verbesserung des Teleskops im Jahr 1657, dass mit dessen Hilfe nun
Die genaue Natur dieser Gebilde blieb allerdings lange Zeit ungewiss, selbst Verzeichnisse darüber wurden erst Ende des folgenden Jahrhunderts angefertigt. Oft wurden sie als Teil des Milchstraßensystems angesehen. Andererseits überlegte im Jahr 1755 auch Immanuel Kant, inspiriert durch kurz zuvor publizierte Gedanken in gleicher Richtung von Thomas Wright, dass sich bei entsprechender Beobachtungsrichtung die elliptische Gestalt aus einem entfernten kreisscheibenförmigen Sternensystems ähnlich der Milchstraße ergeben kann. Wilhelm Herschel schrieb im Jahr 1785, dass der Andromedanebel vermutlich das Schimmern von Millionen von Sternen sei, ähnlich geformt wie die Milchstraße, und dass eine Verbindung dazwischen unwahrscheinlich sei. Aufgrund seiner Struktur und der leicht rötlichen Färbung des Zentrums verortete er ihn näher als andere derartige Nebel. Sein Abstand schien ihm höchstens die 2000-fache Entfernung des Sterns Sirius zu betragen – für die Grenze der Milchstraße ermittelte er weniger als die 500-fache Entfernung., siehe Seite 245, 247 und 262. Mit leistungsfähigeren Teleskopen konnte er kurz darauf die Abgrenzung der Milchstraße allerdings nicht bestätigen, und später kamen ihm Zweifel an der Natur des Nebels, nachdem er dahinterliegende Sterne zu erkennen glaubte; Vgl. S. 260, Connoissance 31 = Messier 31. seine früheren Hypothesen bildeten trotzdem einen wichtigen oft aufgegriffenen neuen Ansatz. So gibt Pierer’s Universal-Lexikon im Jahr 1860 die beiden gegenläufigen Thesen wieder und berichtet gekürzt über eine weitere vielzitierte, auf einer einfachen geometrischen Überlegung basierende Einordnung, die Friedrich Theodor von Schubert im Jahr 1810 publiziert hatte:
Allerdings vermutete Schubert dies wie zuvor Wren für jedweden Nebelfleck, während Messier in seinem rund 100 Beobachtungen umfassenden Katalog bereits auf die teilweise sehr unterschiedliche Gestalt der Nebelflecke hingewiesen und Herschel mit seinen tausenden verzeichneten beobachteten Objekten eine grobe Typisierung der Nebelflecke vorgenommen hatte.
Erste Zeichnungen des Andromedanebels publizierten Guillaume Le Gentil im Jahr 1759 und Charles Messier im Jahr 1807. Detailliertere Erkenntnisse über die Gestalt fanden George Phillips Bond im Jahr 1847 und später Étienne Léopold Trouvelot mit dem Great-Harvard-Reflektor und Lawrence Parsons im Jahr 1871 mit seinem 6-Fuß-Teleskop, die er 1885 publizierte. Allerdings zeigten erst Fotografien des Andromedanebels aus den Jahren 1887 und 1888 von Edward Emerson Barnard und von Isaac Roberts die Gestalt umfassend und lieferten so weitere, verschieden interpretierte Indizien zur Natur dieses Nebels. Roberts selbst sah darin ein entstehendes Sonnensystem, um dessen zentrale Sonne sich Ringe ausgebildet haben und sich bereits Planeten aus den dort befindlichen Nebeln M110 (h 44) und M32 (h 51) formen. John Reynolds vermutete im Jahr 1914 aufgrund der Ähnlichkeit des aus Fotografien ermittelbaren Helligkeitsverlaufs von M31 mit jenen von Reflexionsnebeln um Sterne, dass es sich auch bei M31 um einen solchen handle. Hingegen favorisierte Arthur Stanley Eddington ein Jahr später die Hypothese, dass die Spiralnebel separate „island universes“ seien, und begründete diese Interpretation damit, dass in der Milchstraßenebene deutlich weniger Spiralnebel gefunden wurden als in höheren galaktischen Breiten. Dies ließ sich durch die in der Milchstraßenebene beobachteten dunklen Bänder erklären, die das Licht der weit entfernten dahinterliegenden Nebel absorbieren. Derartige dunkle Bänder waren zudem auch in Fotografien von Spiralnebeln zu erkennen. Die Spiralform von M31 selbst wurde schon zuvor, kurz nach der Entdeckung von Spiralnebeln um das Jahr 1850 durch Parsons’ Vater, für möglich gehalten und später, gestützt auf weitere Fotografien, als erwiesen angesehen.
Ein sternartiges Aufleuchten und Abklingen im Jahr 1885 nahe dem Zentrum des Andromedanebels galt in der Folgezeit als wichtiges Argument für die Nähe des Andromedanebels. Es war lange kein Vorgang denkbar, der so viel Energie freisetzen konnte, um eine derartige Helligkeit bei größerer Entfernung zu erklären. Einer der Entdecker dieses Ereignisses, Ernst Hartwig, überlegte beispielsweise, ob die Beobachtung aus gerade entflammten Gasmassen im Andromedanebel resultierte, die zuvor mit niedriger Temperatur schwach geleuchtet hatten und nun in Helligkeit den früher in gleicher Weise entstandenen Kern des Nebels übertrafen.
Mit Hilfe der Spektroskopie erkannte William Huggins bereits im Jahr 1864, dass der Andromedanebel und M32 sich ähnelten, und unterschied sie von den durch Spektrallinien charakterisierten planetarischen Nebeln; doch ließen sich die Spektren nicht abschließend einordnen. Dies gelang Julius Scheiner im Jahr 1899 durch inzwischen möglich gewordene Fotografien der lichtschwachen Spektren. Mit einer 7,5 Stunden lang belichteten Aufnahme stellte er fest, dass
und fand es damit und aufgrund von weiteren Merkmalen naheliegend, wenn die Milchstraße ein Spiralnebel wie Andromeda wäre.
Vesto Slipher berechnete 1912 anhand der Blauverschiebung der Spektrallinien die heliozentrische Radialgeschwindigkeit von M31 auf 300 km/s in Richtung auf die Sonne, die höchste bis dahin bei einem Objekt festgestellte (moderne Messungen ergeben ). Kurz darauf entdeckte er an einem anderen Spiralnebel Geschwindigkeitsverläufe in den Spektrogrammen, die auf eine Rotation der Spirale hindeuten, und fand auch Indizien für diese Rotation in den Spektrogrammen des Andromedanebels. Eine Reihe teilweise noch größerer und unterschiedlich gerichteter Radialgeschwindigkeiten von Spiralnebeln, die er in der Folgezeit ermittelt hatte, und die sich grundsätzlich von denen der Sterne unterscheiden, hielt er für einen Beleg für deren „island universe“-Natur. Die Rotation des Andromedanebels bestätigte und quantifizierte Francis G. Pease im Jahr 1918.
Entfernung Lange Zeit fehlten in der Astronomie sichere Methoden zur Bestimmung größerer Entfernungen, weshalb man sich in unterschiedlichen Ansätzen auf jeweils andere plausibel erscheinende Vermutungen stützte und ganz verschiedene Ergebnisse erhielt. Beispielsweise folgerte Johann Friedrich Schultz um das Jahr 1800 aus dem von Herschel aufgrund von Farbeindrücken zeitweise geglaubte Abstand zum Andromedanebel und der seinerzeit unbestimmbar kleinen Parallaxe zu Fixsternen eine Entfernung von mindestens 12.000 Lichtjahren. In einem anderen Ansatz führte Julius Scheiner im Jahr 1900 die geometrische Einordnung weiter. Motiviert durch die Erkenntnisse aus seiner Spektralanalyse und aufgrund vieler übereinstimmender Merkmale zwischen dem Andromedanebel und der Milchstraße überlegte er, dass beide Systeme auch in der Größe „in roher Annäherung“ übereinstimmen könnten. Unter dieser Voraussetzung ergab sich aus der scheinbaren Ausdehnung am Firmament von 3° ein 20-facher Abstand des Durchmessers der Milchstraße – nach heutigem Kenntnisstand ein bis auf wenige Prozent zutreffender Wert. Damals errechnete Scheiner 0,5 Millionen Lichtjahre aufgrund einer geringeren bekannten Ausdehnung der Milchstraße. In ähnlicher Weise verglich Max Wolf im Jahr 1912 Strukturen der Milchstraße mit denen von Spiralnebel und ermittelte so eine Entfernung von 32.000 Lichtjahren, womit sich allerdings für ihn unerwartet kleine Spiralnebel ergaben. Andere Forscher vermuteten in dieser Zeit einen Zusammenhang des Andromedanebels mit darin beobachteten Sternen, damit eine nahe Lage innerhalb der Milchstraße und hielten Entfernungen von unter 100 Lichtjahren für denkbar.