Die Milchstraße

Nach: Hans-Ulrich Keller: Kosmos Himmelsjahr 2017
Franckh-Kosmos Verlags-GmbH & Co. KG, Stuttgart 2016
Monatsthema Februar 2017
Die Galaxis - Vorhof zum Universum
haufen vermaß. Danach bildet die Galaxis ein riesiges Sternensystem in Form einer Diskusscheibe von mindestens 100.000 Lichtjahren Durchmesser, umgeben von einem sphärischen (kugelförmigen) Halo ähnlichen Durchmessers, in dem die Kugelsternhaufen beheimatet sind.
Ein Blick in die Milchstraße im Sternbild Schwan. Aufnahme von
Martin Gertz/Sternwarte Welzheim.
In dunkler, klarer, mondloser Nacht kann man fernab störender
irdischer Lichtquellen das zartschimmernde Band der Milchstraße
bewundern. Die Milchstraße zählt zu den schönsten Naturphänomenen, die man leider in unseren dicht besiedelten Regionen
infolge von Lichtsmog, Staub- und Dunstglocken kaum mehr zu
Gesicht bekommt. Schon in grauer Vorzeit hat man sich über
dieses Himmelsphänomen und seine Entstehung Gedanken
gemacht. Zahlreiche Mythen ranken sich um die Milchstraße:
Als der Göttervater Zeus den unehelich gezeugten Knaben Herakles seiner schlafenden Gattin Hera an die Brust legt, saugt dieser
heftig und Hera erwacht. Wütend reißt sie Herakles von ihrer
Brust. Dabei spritzt Milch in hohem Bogen gen Himmel.
Eine andere Sage berichtet: Ikarus leiht sich von seinem Vater
Dädalus für einen Tag den goldenen Sonnenwagen, um über das
Firmament zu fahren. Doch ungewohnt im Lenken dieses
Gespanns, verliert er die Kontrolle über den Sonnenwagen. Die
Rosse gehen durch, der Sonnenwagen kommt ins Schleudern und
Ikarus stürzt samt ihm ins Meer. Die feurige Schleifspur dieser
Unglücksfahrt ist heute noch am Sternenhimmel zu betrachten.
Nach altgriechischer Vorstellung ist die Milchstraße ein Riss im
Himmelsgewölbe, durch den das Zentralfeuer scheint. Aus dem
Griechischen stammt auch die Bezeichnung „Galaxis“ für unsere
Milchstraße. Da man seit fast hundert Jahren definitiv weiß, dass
es noch andere Milchstraßensysteme gibt, spricht man allgemein
von Galaxien. Unsere Nachbargalaxie ist beispielsweise der
Andromedanebel.
Wohl als Erster hat der ionische Gelehrte Demokrit von Abdera
(470-380 v. Chr.) die richtige Erklärung für das Phänomen Milchstraße geliefert. Demokrit behauptete, das Lichtband der Milchstraße werde durch ungeheuer viele, weit entfernte Sterne hervorgerufen, die man einzeln gar nicht ausmachen kann. 2000 Jahre
lang blieb diese Vorstellung reine Spekulation, bis sich vor 400
Jahren nach Erfindung des Fernrohrs Galileo Galilei, Thomas
Harriot, Simon Marius und andere davon überzeugen konnten,
dass das Band der Milchstraße tatsächlich aus ungeheuer vielen,
feinen Sternpünktchen besteht.
Aufbau unseres Milchstraßensystems. (Gunther Schulz nach
NASA/JPL-Caltech/R. Hurt)
Inzwischen weiß man, dass der Durchmesser der galaktischen
Scheibe 110.000 Lichtjahre beträgt. Auch ist sie keineswegs völlig
flach, sondern an den Rändern ein wenig gebo-gen, ähnlich einer
Hutkrempe. Unsere Sonne befindet sich dabei in einem Heer von
einigen Hundert Milliarden Sternen keineswegs im Mittelpunkt,
sondern 26.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt. Interstellarer
Staub versperrt allerdings im sichtbaren Licht den Blick ins Zentrum.
Fortschritt im 18. Jahrhundert
Erste konkrete Vorstellungen über Größe und Form der Galaxis
entwickelten Thomas Wright (1711-1786) sowie Wilhelm und
Caroline Herschel, die 1785 mit Sternzählungen in 683 Gebieten
der Milchstraße begannen. Später folgte ihnen Jacobus Kapteyn
nach, indem er die nach ihm benannten Eichfelder einführte. Ab
1870 wählte er über den ganzen Himmel verteilt Felder von 1,25°
im Quadrat aus, in denen er die Sterne nicht nur nach Helligkeiten
und Zahl registrierte, sondern auch weitere Eigenschaften untersuchte. In der Milchstraße selbst fügte er noch zusätzlich 45 Felder ein. Man spricht heute deshalb von den Kapteynschen Eichfeldern. Allgemein war man der Auffassung, unsere Sonne befände
sich im Mittelpunkt der Galaxis oder zumindest nahe dabei. Wright
meinte, die Sterne der Milchstraße ordnen sich in Form eines
riesigen Mühlsteins an. Kapteyn vermutete eine Längsausdehnung
der Galaxis von 2000 Lichtjahren.
Die wahren Dimensionen der Galaxis fand jedoch Harlow Shapley
(1885-1972), indem er die Positionen und Lage der Kugelstern-
Aufsicht und Seitenansicht der Galaxis. (Gunther Schulz nach
NASA/JPL-Caltech/R. Hurt)
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Unsere Milchstraße aus der Nähe
Von außen betrachtet würde die Milchstraße als Spiralgalaxie zu
erkennen sein, wie man sie von dutzenden Galaxien her kennt.
Jan Hendrik Oort (1900-1992) hat die Rotationsformeln angegeben, nach denen die Galaxis rotiert. Demnach wandert die Sonne
auf einer kreisnahen Bahn in 200 Millionen Jahren mit einer
Geschwindigkeit von 240 Kilometer pro Sekunde einmal um das
Milchstraßenzentrum. Mit dieser Geschwindigkeit, 864.000 Kilometer pro Stunde, wäre man nur eine knappe halbe Stunde von
der Erde zum Mond unterwegs.
Materie würde keine Finsternis hervorrufen, wenn er sich zwischen
Sonne und Erde schöbe. Lediglich durch seine Gravitation würde
er auf die Erde einwirken. Eine Person aus Dunkler Materie könnte
uns durchdringen, ohne dass wir es bemerken könnten. Sie könnte auch problemlos durch Mauern gehen, ohne Spuren zu hinterlassen oder sich dabei zu verletzen.
Noch weiß man nicht, woraus sich die Dunkle Materie zusammensetzt; jedenfalls nicht aus bekannten Elementarteilchen, den Bausteinen der für uns sichtbaren Materie wie Protonen und Neutronen. Man bezeichnet diese uns wohlbekannte Materie auch als
baryonisch.
Die turbulente Entwicklung der Galaxis zu erforschen wurde erst
möglich, als es gelang, die chemische Zusammensetzung von
fernen Sternen im Halo der Milchstraße zu bestimmen, was nur
mit Teleskopen der 8-m- und 10-m-Klasse möglich ist, sowie
Entfernungen und Raumgeschwindigkeiten und damit auch die
Sterndichten in den einzelnen Regionen zu ermitteln. Große
Hoffnungen setzt man dabei auch auf die Astrometriesonde GAIA,
die von fast einer Milliarde Sternen genaue Positionen und
Geschwindigkeiten liefern wird.
Im Halo der Galaxis fand man extrem metallarme Sterne. Im
saloppen Jargon der Astronomen gelten alle Elemente schwerer
als Helium als „Metalle". Der Eisenanteil der Sterne der HaloPopulation beträgt weniger als ein Tausendstel Prozent des Eisenanteils unserer Sonne. Andererseits ist der Kohlenstoffanteil
bedeutend höher.
Galaxien entwickeln sich weiter
Jan Hendrik Oort (1900 – 1992) – Pionier der Erforschung unserer
Milchstraße. (Leiden Observatory)
Noch weit nach der Mitte des vorigen Jahrhunderts sah man die
Galaxis als eher statisches Gebilde an, das zwar rotiert und
einzelne Sternentstehungsnester besitzt, in denen immer noch
neue Sonnen aufflammen, das aber ansonsten seit zwölf Milliarden Jahren unverändert blieb.
Doch dem ist nicht so. Die Galaxis ist ein äußerst dynamisches
Sternsystem, in dessen Zentrum ein vier Millionen Sonnenmassen
reiches Schwarzes Loch haust. Durch die Galaxis wandern zahlreiche Sternströme unterschiedlichen Alters und Herkunft. Sie wird
von Zwerggalaxien umrundet, die sie sich von Zeit zu Zeit einverleibt. Heiße Gaswolken jagen mit hoher Geschwindigkeit durch
das Sternenheer. Zwei gigantische Jetstreams schossen vor
wenigen Millionen Jahren - eine kurze Zeitspanne im Leben der
Galaxis - diametral aus ihrem Zentrum heraus und erzeugten zwei
riesige Gasblasen nördlich und südlich der galaktischen Scheibe.
Im zentrumsnahen Inneren findet sich ein großer Balken aus
Sternströmen, weshalb man heute die Galaxis als Balkenspirale
einstufen muss. Zudem ist die Galaxis in einen umfangreichen
Kokon aus Dunkler Materie eingebettet, ohne dessen Schwerkraftwirkung sie überhaupt nicht entstanden wäre. Der prozentuale
Anteil der Dunklen Materie ist in den die Galaxis umrundenden
Zwerggalaxien noch um ein Vielfaches höher. Die Masse der
Dunklen Materie übertrifft dabei die der leuchtenden Sterne in den
Zwerggalaxien um das Hundertfache oder noch mehr. Manche
Astronomen vermuten sogar, dass Wolken aus Dunkler Materie
ohne leuchtende Sterne die Galaxis begleiten.
Rätsel Dunkle Materie
Die Dunkle Materie wirkt lediglich gravitativ, also durch die
Schwerkraft ihrer Massen. Sie wechselwirkt nicht mit den anderen
drei Grundkräften (starke Kraft, elektromagnetische Wechselwirkung und elektroschwache Wechselwirkung). Daher kann man
Objekte aus Dunkler Materie nicht sehen. Ein Planet aus Dunkler
Der Schlüssel zum Verständnis der Evolution unseres Milchstraßensystems ist das interstellare Gas, das durch die Räume zwischen den Sternen strömt. Das kalte Wasserstoffgas wird mit
Radioteleskopen detektiert; im Millimeter- und Submillimeterbereich der elektromagnetischen Strahlung lassen sich komplexe
Molekülverbindungen aufspüren. Warmes, ionisiertes Gas zeigt
sich im Bereich des sichtbaren Lichts. Extrem heißes Gas, aufgeheizt von Stoßwellen erzeugt durch Supernova-Detonationen,
sendet Röntgenstrahlung aus. Die Staubkomponente wiederum
absorbiert sichtbares und ultraviolettes Licht. Die dabei aufgeheizten Staubkörner leuchten dadurch im fernen Infrarot.
Magnetfelder beschleunigen ihrerseits die Ionen der kosmischen
Korpuskularstrahlung auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Wie auf
einer Achterbahn rasen sie durch die Galaxis.
Ronald Reynold entdeckte bereits 1993 nördlich und südlich der
dünnen Sternscheibe in der Hauptebene der Galaxis je eine relativ
dichte Schicht aus ionisiertem Gas. Außerhalb dieser beiden Reynold-Schichten gibt es eine Zone dünnen, aber extrem heißen
Gases von mehreren Millionen Grad. Dieser heiße Wind strömt
sowohl aus dem Zentrum der Milchstraße als auch aus den Sternentstehungsgebieten, in denen nach ihrem kurzen Dasein extrem
massereiche Sterne als Supernovae enden.
Nach wie vor mysteriös sind Wolken aus kühlerem, neutralem
Gas, die den galaktischen Halo mit hohen Geschwindigkeiten
durchqueren. Vermutlich sind sie Reste der ursprünglichen Gasströme aus dem Zentrum, die sich abgekühlt haben, wobei die
Atome rekombinierten. Andererseits dürften diese kühlen Gaswolken teils Immigranten aus den zahlreichen Zwerggalaxien sein, die
die Milchstraße umrunden und in mehr oder minder langen Zeiträumen von ihr einverleibt werden. Solch intergalaktische Wasserstoffströme werden zwischen den Magellanschen Wolken beobachtet. Die Magellanschen Wolken sind die größten Begleitgalaxien unserer Milchstraße.
Je jünger die Sterne, desto mehr sind sie zur galaktischen Hauptebene hin konzentriert. Ältere Sterne sind in einem breiteren
Bereich nördlich und südlich der Scheibe zu finden. Unsere Sonne
hält sich nur etwa 50 Lichtjahre nördlich der Scheibenebene auf.
Sie zählt zur inneren Scheibenpopulation, auch als Sterne der
dünnen Scheibe bezeichnet. Die Sonne beschreibt wie erwähnt in
erster Linie eine nahezu kreisförmige Bahn um das Zentrum. So
bewegen sich auch die meisten Sterne in ihrer Umgebung.
Mit zunehmendem Alter entfernen sich die Sterne allmählich von
der Hauptebene und driften nach Nord oder Süd. Mit der Zeit
ändert sich damit auch die Dicke der Scheibe. Unabhängig davon
existiert eine dickere Scheibe aus Sternen, die signifikant metallärmer sind. Sie stammen aus der Zeit, als die Galaxis erst fünf
Milliarden Jahre alt war. Ihr heutiges Alter schätzt man auf zwölf
Milliarden Jahre.
Die Spiralstruktur
Schwierig ist es, die Spiralstruktur der Milchstraße zu erfassen. Im
optischen Spektralbereich verhindert dies die interstellare Absorption. Aber einerseits mit weltweit zusammengeschalteten Radio-
- 3 teleskopen, der sogenannten Very Long Baseline Interferometry
(engl., Interferometrie über interkontinentale Distanzen), und
andererseits mit Beobachtungen im infraroten Spektralbereich hat
man inzwischen ein weitgehend zutreffendes Bild entworfen, wie
unsere Milchstraße von außen betrachtet aussähe. Mit den COBEMessungen (Cosmic Background Explorer, Raumsonde zur Beobachtung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung) hat
man zu Beginn der 1990er Jahre erstmals erkannt, dass die
zentrale Ausbuchtung, auch Bulge genannt, eine längliche
Ausdehnung hat. Neueste Beobachtungen im Infraroten haben
ergeben, dass dieser Balken länger ist als ursprünglich vermutet.
Kurz, die Galaxis ist eine Balkenspirale vom Hubble-Typ SBc. Die
Untersuchung der zahlreichen Molekülwolken lässt die gut entwickelte Spiralstruktur einwandfrei erkennen. Der Raum zwischen
den Spiralarmen ist dabei keineswegs leer, sondern ebenfalls mit
zahllosen Sternen gefüllt. In den Spiralarmen ist die Dichte der
interstellaren Materie jedoch wesentlich höher. Gravitativ bedingte
Dichtewellen laufen von innen nach außen. In den Spiralarmen ist
die Sternentstehungsrate entsprechend hoch. Massereiche, junge
und heiße Sterne finden sich dort zuhauf. Sie regen das
interstellare Gas zum Leuchten an, wobei die Wasserstoffwolken
ionisiert werden (HII-Gebiete). Der interstellare Staub wiederum
reflektiert das Licht der heißen, bläulichen Sterne. So erklärt sich,
weshalb die Spiralarme so viel heller strahlen als die übrigen
Bereiche der galaktischen Scheibe.
Sterne und Staub kreisen um das massereiche Schwarze Loch in
unserer Milchstraße. (ESO/MPE/Marc Schartmann)
Spuren eines Schwarzen Loches
Beobachtungen mit den beiden 10-m-Keck-Teleskopen auf dem
Mauna Kea und den vier 8-m-VLT-Teleskopen der ESO auf dem
Cerro Paranal haben unser Wissen über das Milchstraßenzentrum
enorm erweitert. Im Kern der Galaxis befindet sich ein gigantischer
Sternhaufen, dessen Mitglieder jeden Alters sind - im Gegensatz
zu fast allen galaktischen Sternhaufen, deren Mitgliedssterne alle
gleich alt sind. Aus den Bewegungen der Sterne um das Zentrum
schließt man auf ein supermassereiches Schwarzes Loch. Die
gewaltige zentrale Masse konzentriert sich auf einen Raumbereich, der kleiner ist als der Durchmesser der Erdbahn. In diesem
Bereich befinden sich vier Millionen Sonnenmassen. Dies kann
kein Sternhaufen sein, denn so viele Sterne passen nicht in einen
sphärischen Raum mit nur einer Astronomischen Einheit als
Radius. Das zentrale Black Hole von vier Millionen Sonnenmassen
hat einen Durchmesser von 24 Millionen Kilometer und hätte somit
bequem innerhalb der Merkurbahn Platz.
Um das zentrale Schwarze Loch rotiert eine vergleichsweise
bescheidene, immerhin aber etliche Millionen Grad heiße Akkretionsscheibe, wie Beobachtungen im Röntgenbereich erkennen
lassen. Nur wenig Materie stürzt gegenwärtig in den gefräßigen
Schlund dieses Schwarzen Lochs. Es ist gewissermaßen auf Diät
gesetzt. Vor rund zehn Millionen Jahren schossen zwei Plasmastrahlen in entgegengesetzte Richtungen aus dem Zentrum. Heute
beobachtet man die Reste dieser Jets als riesige Gasblasen
jeweils 24.000 Lichtjahre nördlich und südlich der galaktischen
Ebene.
Neue Erkenntnisse lieferten auch die Beobachtungen des galaktischen Halos, eines sphärischen Raumbereichs mit 600.000 Lichtjahren Durchmesser aber einem Inhalt von nur einer Milliarde
Sonnenmassen. Der Halo zerfällt dabei in einen äußeren Bereich
mit sehr alten Sternen und einen inneren Halo mit deutlich jüngeren Sternen. Beide Bereiche rotieren, allerdings in entgegengesetzte Richtungen. Warum dies der Fall ist, harrt noch einer
Klärung.
Die Galaxis zeigt somit insgesamt ein dynamisches Verhalten mit
permanenter Weiterentwicklung. Auch ist sie keine isolierte
Welteninsel in den Tiefen des intergalaktischen Raums. Vielmehr
ist sie in steter Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Gasmassen
und Zwerggalaxien werden von ihr eingefangen und sorgen für die
Bildung neuer Sterne sowie für das Wachstum der Galaxis. Andererseits strömen heiße Winde metallreicher Gase aus der Galaxis
in den intergalaktischen Raum.
Weitere Erkenntnisse über Aufbau, Entstehung und zukünftige
Entwicklung der Milchstraße verspricht man sich von den Beobachtungen und Messungen der Astrometrie-Raumsonde GAIA,
dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA, Monatsthema
Oktober „ALMA und SKA - Radioteleskope der Superlative") und
dem im Bau befindlichen LSST (Monatsthema September „LSST Die Entdeckungsmaschine") .
Dann erst wird man den eigenen Vorhof zum gigantisch viel größeren Universum einigermaßen genau kennen.