zentrum der milchstrasse - Mediendom Content Distribution

Fulldome-Animation Zentrum der Milchstraße
Dr. Björn Voss, Planetarium Münster / LWL-Museum für Naturkunde
ZENTRUM DER MILCHSTRASSE
In Kürze:
Anflug auf das Zentrum der Milchstraße aus 3 kpc Distanz (Rand des
Bulge)
Flug in den zentralen Sternhaufen hinein; realistische Darstellung der
Umgebung (Merkmale wie Staubtorus, „Mini-Spirale“)
Anflug auf das zentrale Schwarze Loch (realistisch modelliert unter
Annahme einer schwach ausgeprägten Akkretionsscheibe) und ins
Schwarze Loch hinein
Bild 1: Aktuelles Modell der Milchstraße (NASA/Caltech) mit eingezeichneter Flugroute
Fulldome-Animation Zentrum der Milchstraße
Dr. Björn Voss, Planetarium Münster / LWL-Museum für Naturkunde
Im Zentrum unserer Milchstraße befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch.
Schon lange war dort das Radio-Objekt Sagittarius A* bekannt; später wurde
nachgewiesen, dass es sich dabei um das 3 Millionen Sonnenmassen schwere
zentrale Schwarzes Loch unserer Galaxis handelt. Dem optischen Betrachter ist
dies durch interstellaren Staub verborgen; im Infraroten und anderen
Spektralbereichen ist eine Beobachtung jedoch möglich, und hat faszinierende
Details sichtbar gemacht. Dazu zählen insbesondere die Sterne des zentralen, sehr
massereichen Sternenhaufens, von denen einige das Schwarze Loch so eng
umkreisen, dass ihre Orbits genau verfolgt werden konnten. Die sich daraus
ergebende Dichte der Massenverteilung innerhalb der Sternen-Orbits zeigte, dass
ein zentrales Objekt mit dieser Massendichte nur ein Schwarzes Loch sein kann.
Die Animation
Da der optische Blick auf das galaktische Zentrum durch interstellaren Staub
versperrt ist, beginnt die Animation mit einem schwarzen Bild („in den
Staubwolken“) und dem Verlassen des Staubs in Richtung auf das Zentrum. Es
könnte sich anbieten, vor Beginn dieser Animation einen Flug in Richtung des
Sternbilds Schütze zu zeigen, auf die dort gelegenen Staubwolken zu. Eine solche
Darstellung ist mit vielen aktuellen Echtzeit-Systemen gut möglich (z.B. Digital Sky
[Sky-Skan] oder Uniview [SCISS], u.a. – ein entsprechendes Digital-Sky-Skript
steht zum Download auf diesen Webseiten bereit). Wird das Echtzeit-Bild dann auf
schwarz abgeblendet und zeitgleich die Animation gestartet, so lässt sich eine
nahtlos wirkende Fortsetzung des Echtzeit-Flugs erreichen: Die Staubwolken werden
verlassen und es folgt der Weiterflug auf das Zentrum zu.
Der Staub um das galaktische Zentrum bildet einen optisch undurchsichtigen Ring in
etwa 3-4 kpc Entfernung zum Zentrum. Innerhalb dieses Rings liegt der „Bulge“ der
Galaxis; diese Region ist im Wesentlichen Staub-frei. In dieser Region finden sich
hauptsächlich alte Sterne mit meist niedriger Leuchtkraft. Erst sehr nah am
Zentrum, in einem Umkreis von ca. 300 pc, finden sich wieder größere
Staubmassen und viele junge, helle Sterne. Dieser 300-pc-Bereich beinhaltet große
HII-Regionen und Sternhaufen. Auf diesen zentralen Bereich der Galaxis zu führt
der sehr schnelle Flug, mit mehreren 100 Lichtjahren/s. Er zielt genau auf den
zentralen Sternhaufen, in dessen Mitte das Schwarze Loch steht. Dieser
Sternhaufen ist umgeben von einem ca. 15 pc großen Staub-Torus, der von innen
durch die Haufensterne beleuchtet ist. Bei Erreichen des Sternhaufens verzögert die
Bewegung und führt weiter Richtung Haufenzentrum, nun nur noch einige
Lichtwochen/s schnell. Das Schwarze Loch bleibt unsichtbar; erkennbar sind außer
Haufensternen und der Umgebung im Hintergrund (Staubtorus, entfernte
Hintergrundobjekte) nur dünne Gas-Strukturen, die sich vom Torus aus
filamentartig in den Haufen hinein erstrecken. Beim weiteren Flug ins
Haufenzentrum werden die Orbits einiger Sterne um das weiterhin nicht sichtbare
Schwarze Loch kurz eingeblendet. Erst bei Annäherung an das Schwarze Loch auf
weniger als 1 Lichttag wird es überhaupt sichtbar. Der Anflug verlangsamt sich
weiter; aus einigen Lichtstunden Distanz zeigen sich schließlich die
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Akkretionsscheibe und der Ereignishorizont wird als dunkle Silhouette in der
Scheibenmitte erkennbar. Nach einer langsamen, teilweisen Umkreisung des
Schwarzen Lochs endet der Flug schließlich mit einem schnellen Sturz ins Schwarze
Loch hinein.
Bild 2: Mosaik des 250-Lj-Zentralbereichs der Milchstraße (Weltraumteleskope Hubble und
Spitzer)
Datenquellen und Grundlagen der Darstellung
Als Datenquelle diente vor allem das umfassende Übersichts-Paper von Duschl et al.
(1996, AAR 7, 289), das auch heute noch den Kenntnisstand des „Inventars“ der
Objekte im Zentrum der Milchstraße gut zusammenfasst. Es handelt sich unter
anderem um folgende Elemente:
Anflug auf das Zentrum: Die Bewegung vorbeiziehender Sterne wurde
realistisch der zurückzulegenden Entfernung (3 kpc) angepasst.
Darstellung des 300-pc-Zentralbereichs: Ein großer Teil dieser Region von ca.
250 Lj um das Zentrum ist in einem hochaufgelösten Foto-Mosaik der
Weltraumteleskope Hubble und Spitzer im nahen bzw. fernen Infraroten
kartographiert worden (Bild 2). Dieses Mosaik wurde als Grundlage der
Darstellung dieses Bereichs herangezogen. Es wurde stark bearbeitet, sodass
das IR-Falschfarbenbild den Anblick, der sich im optischen Ergeben könnte,
wiedergibt. Zu beachten ist jedoch, dass der wahre optische Eindruck wohl
ein ganz anderer wäre, vor allem aufgrund der sehr hohen Sterndichte,
insbesondere auch der hohen Dichte supermassiver, außerordentlich
leuchtkräftiger Sterne. Diese hohe Sterndichte lässt sich bildlich kaum korrekt
wiedergeben; daher wurde zwar eine hohe Sterndichte dargestellt, aber keine
so hohe wie es eigentlich korrekt gewesen wäre.
Der zentrale Sternenhaufen wurde in Größe und Lage realistisch dem
Hubble/Spitzer-Bild angepasst; ebenso der ca. 15 pc große Staub-Torus, der
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den zentralen Haufen umgibt (Bild 3). Im zentralen Parsec, also im inneren
Bereich des zentralen Haufens, stehen ca. 25 LBV-Sterne, 500 weitere
Überriesen, und eine entsprechend noch höhere Zahl an Riesen- und
Hauptreihen-Sternen. Die Gesamtzahl der für einen menschlichen Beobachter
mit bloßen Augen sichtbaren Sterne geht hier in die zehntausende. Die
Riesensterne würden von einem durchschnittlichen Punkt innerhalb des
Haufens aus betrachtet allesamt etwa mondhell erscheinen. Die Darstellung
hunderter mondheller Objekte übersteigt natürlich das im Planetarium
machbare; es wurde also nur versucht darzustellen, dass es sich um sehr
helle Sterne in sehr großer Zahl handelt.
Bild 3: Anflug auf den zentralen Sternhaufen (Animationsframe)
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Die Staub- und Gasstrukturen innerhalb des zentralen Haufens, die
sogenannte „Minispirale“ (Bild 4), wurde in ihrer genaue Form und Lage im
Raum anhand der Daten von Vollmer & Duschl (2000, New Astronomy 4,
581) nachgebildet. Dazu wurden die 3d-Daten der Gas-Verteilung von
Vollmer & Duschl in unser 3d-Modell der Objekte im galaktischen Zentrum
integriert. Im Lichte der hellen Superriesen wird dieses dünne Gas zwar für
einen notgedrungen geblendeten menschlichen Beobachter unsichtbar
bleiben; wir haben uns aber dennoch für eine Darstellung entschieden, da wir
das Strahlungsfeld wie oben erwähnt ohnehin nicht realistisch nachbilden
können, sondern es in einer Art „HDR-Darstellung“ zeigen. In dieser
Darstellung werden dann natürlich auch Strukturen sichtbar, die das
geblendete menschliche Auge eigentlich nicht mehr ausmachen würde.
Bild 4: Die „Minispirale“ (aus Vollmer & Duschl 2000). Links die Ansicht von der Erde aus
(Infrarot- und Radio-Daten); rechts die ermittelte 3d-Struktur, wie sie auch in unsere
Animation eingegangen ist (Ansicht gegenüber dem Erd-Anblick um 90° gedreht).
Der Anflug an das Schwarze Loch, und seine Größe im Vergleich zu den
Entfernungen der umgebenden Sterne, ist realistisch den realen Größen
angepasst. Diese realen Größen sind die Orbitalparameter der innersten
Sterne (einige Lichttage groß) und andererseits die aus unterschiedlichen
Messungen resultierende Maximalgröße der Akkretionsscheibe. Für diese
Größe gibt es bisher nur Obergrenzen, da die Scheibe selbst noch nicht
beobachtet werden konnte. Tatsächlich ist es nicht sicher, dass überhaupt
eine Scheibe existiert. Prof. Duschl (Univ. Kiel) zu Folge, der die Erstellung
dieser Animation beratend unterstützte, ist eine schwach ausgeprägte
Akkretionsscheibe jedoch eine plausible Annahme.
Die Darstellung der Scheibe beruht auf Simulationen der Struktur der Scheibe
und des verzerrten Erscheinungsbilds durch Gravitationslinsen-Effekte, u.a.
von Armitage & Reynolds (2003, MNRAS 341, 1041; Bild 5).
Die äußeren Bereiche der Scheibe sind kühler als die inneren, sodass sich ein
Farbverlauf von bläulich-weiß im Inneren bis zu rot am Rand ergibt. Auch
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nimmt die Dichte nach außen ab und die Transparenz zu, sodass der Rand in
einem zunehmend durchsichtigen, dunklen Rot-Ton ausläuft (Bild 5).
Der auffälligste Gravitationslinsen-Effekt ist die scheinbare Verbiegung der
Scheibe bei seitlichem oder schrägem Blickwinkel: Der hinter dem Schwarzen
Loch liegende
Bereich wird optisch angehoben und scheint über dem
Schwarzen Loch entlang zu laufen, statt dahinter.
Bild 5: Anflug auf das Schwarze Loch mit Akkretionsscheibe (Animationsframe); Inset:
Simulation von Armitage & Reynolds 2003.