6.2. Die Struktur der Milchstraße

Da wir uns innerhalb der Milchstraße befinden, ist unser Blick nach draußen in den Kosmos leider beschränkt. Man muss sich somit schon einiges einfallen lassen, um herauszufinden, wie die Galaxie wohl im Detail aussehen mag. Denn aufgrund ihrer enormen Größe werden wir sie nie als Ganzes von außen betrachten können. Uns geht es also so ähnlich wie einem Goldfisch, der herausfinden will, ob sein Aquarium in einer Garage oder einem Hochhaus im zwölften Stock steht. Zum Glück liefern diverse Beobachtungen von Sternen und anderen Galaxien, z.B. der Andromeda-Galaxie, einige Antworten auf diese wichtige Frage.

Schon die alten Griechen und viele Naturvölker vor ihnen begannen, den Nachthimmel mit dem einfachsten optischen Instrument zu studieren: dem Auge. Was wir heutzutage sehen können, von Lichtverschmutzung oder hellem Mondlicht einmal abgesehen, ist, dass sich die Sterne vor allem in einem breiten, diffusen Band am Himmel ansammeln.

Der Name »Milchstraße« geht auf die alten Griechen zurück. In den klassischen Sagen lesen wir, wie die Milchstraße entstand: Wieder einmal hatte der notorische Schürzenjäger und oberste Götterboss Zeus bei einem seiner Seitensprünge einen Sohn gezeugt, Herakles (oder von den Römern Herkules genannt). Verständlicherweise war seine Gattin, die Göttin Hera, rasend vor Wut und Eifersucht. Da Herakles wegen seiner irdischen Mutter aber nicht unsterblich wie die Götter war, griff Zeus zu einer List. Ausgerechnet die Milch seiner schlafenden Göttergattin Hera sollte dem kleinen Herakles zur Unsterblichkeit verhelfen, natürlich ganz gegen deren Willen. Doch der kleine Säugling trank so ungestüm, dass Hera erwachte und den Knaben voller Entsetzen von ihrer Brust riss. Dabei spritzte die Milch weit heraus bis an den Himmel, wo sie noch heute als Milchstraße zu sehen ist. Eine nette Geschichte – doch was ist die Milchstraße wirklich?

Der Italiener Galileo Galilei untersuchte 1610 als erster Mensch die Milchstraße mit dem damals gerade neu erfundenen Fernrohr und stellte fest, dass das fahl schimmernde Band am Himmel aus unzähligen lichtschwachen Sternen besteht. Im 19. Jahrhundert veröffentlichte der englische Astronom William Herschel die erste Karte, wie die Milchstraße wohl von außen aussehen könnte. Heute wissen wir, dass die meisten Sterne der Milchstraße in einer flachen diskusförmigen Scheibe angeordnet sind. Aber warum ordnen sich die Sterne ausgerechnet in dieser Art und Weise an?

Seit 1900 versuchten die Astronomen u.a. mit stellar-statistischen Methoden den Bau der Milchstraße zu erforschen. Trotz ungeheurem Arbeitsaufwand war dies jedoch schwierig. Den entscheidenden Fortschritt brachte Henrietta Leavitts Perioden-Leuchtkraft-Beziehung. Für Sterne, die periodisch ihre Helligkeit verändern, z.B. die sogenannten Cepheiden, beschreibt diese Beziehung den Zusammenhang zwischen der Periode des Lichtwechsels und der Helligkeit des Sterns. Um 1912 wendete Harlow Shapley diese Beziehung erstmals an, um Entfernungsmessungen zu Cepheiden durchzuführen. So konnten ab ca. 1920 erstmals die Entfernungen zu kosmischen Gebilden inner- und außerhalb der Milchstraße gemessen werden, solange dort Cepheiden gefunden werden konnten.

Um 1927 herum konnten Jan Oort und andere Wissenschaftler die Bewegungsvorgänge der Milchstraße rein geometrisch mit nur wenigen Beobachtungen weitgehend aufklären: Die Sterne umkreisen das galaktische Zentrum unter dem Einfluss der Gravitation der dort ziemlich stark konzentrierten Massen. Die Sterne sind dabei in einer Scheibe angeordnet und verhalten sich wie eine Flüssigkeit, die im Zentrum schneller rotiert als weiter draußen.

So wurde bald erkannt, dass die Galaxie eine detaillierte Spiralstruktur aufweist, da sich die Sterne, das Gas und der Staub der Scheibe in mehreren Spiralarmen anordnen. Die folgenden Jahrzehnte brachten unzählige Beobachtungen, die die Scheibennatur der Milchstraße eindeutig bestätigten. Ein Beispiel dafür ist die Radioastronomie, mit der das Wasserstoffgas, aus welchem die Spiralarme hauptsächlich bestehen, sehr gut nachgewiesen werden kann. So konnte die Spiralstruktur der Milchstraße über Jahrzehnte hinweg kartiert werden, und es wird angenommen, dass die Milchstraße der Andromeda-Galaxie und besonders der Galaxie NGC 6744 sehr ähnlich sein muss, die auch in Farbabbildung 6.C zu sehen ist. Die Milchstraße wird somit als Spiralgalaxie klassifiziert. Im Gegensatz dazu gibt es auch andere Arten von Galaxien, die keine Scheiben bilden.

Abb. 6.C

Man kann sich die Milchstraße in etwa wie einen recht dicken, luftigen Pfannkuchen vorstellen, der oben und unten ordentlich mit Marmelade und Sahne bestrichen ist und dessen Mitte noch eine dicke Eiskugel krönt. Die Marmelade und die Sahne symbolisieren verschiedene Sternpopulationen, die sich um die Scheibe herum verteilen und den Pfannkuchen verdicken. Die Kugel Eis entspricht dem sogenannten »Bulge« unserer Galaxie. Der Bulge ist eine große, dicke Verdichtung von besonders vielen Sternen im Zentrum und somit der leuchtkräftigste Teil der Galaxie. Zusätzlich wird inzwischen angenommen, dass die Spiralarme im Inneren in eine balkenförmige Struktur übergehen. Im Zentrum gibt es weiterhin ein riesiges Schwarzes Loch von vier Millionen Sonnenmassen. Dieses Monster verschlingt dort Unmengen von Sternen und Gas in der Zentralregion im Inneren des Bulges.

Die Scheibe mit den Spiralarmen hat einen Durchmesser von mehr als 100 000 Lichtjahren und ist ca. 1000 Lichtjahre dick – 1000 Lichtjahre entsprechen 9,5 Billiarden km. Wo aber sitzen wir auf unserer Erde in Bezug auf das Zentrum der Galaxie? Zum Glück befindet sich das Sonnensystem relativ weit außerhalb, so dass uns das Schwarze Loch nicht gefährlich werden kann. Unser Standort ist 28 000 Lichtjahre weit draußen, also ca. zwei Drittel der Strecke zwischen Zentrum und Rand. Dies ist in Abbildung 6.D im Farbbildteil dargestellt. Während wir mit der Erde mit 30 km/s um die Sonne kreisen, bewegt sich die Sonne gleichzeitig mit dem Sonnensystem mit etwa 220 km/s auf einer leicht elliptischen Bahn in ihrem Spiralarm um das galaktische Zentrum mit dem Bulge herum. Eine solche Umrundung dauert ca. 250 Millionen Jahre. Die Sonne mit ihren 4,6 Milliarden Jahren hat das Zentrum also schon ca. 20 Mal umkreist. Die Entwicklungsphase zu höheren Lebewesen auf der Erde wie z.B. Säugetieren in den letzten rund 200 Millionen Jahren entspricht also nicht mal einem »Galaktischen Jahr«.

Abb. 6.D

Unser Standort in der Milchstraße befindet sich in dem lokalen Spiralarm, der auch Orion-Cygnus-Arm genannt wird. Die Sonne und das Sonnensystem liegen am inneren Rand dieses Arms. Denn insgesamt gibt es vier größere und zwei kleinere Arme, die schematisch in Abbildung 6.D dargestellt sind. Der Spiralarm, der von uns aus gesehen in Richtung des Zentrums liegt, ist der Sagittarius-Arm, und der »hinter« uns liegende heißt Perseus-Arm.

Da wir in einem der Spiralarme drinnen sitzen, sehen wir am Himmel den Ausschnitt von drei Spiralarmen – also Sterne unseres eigenen Arms sowie die Sterne und das Gas der beiden benachbarten Arme. Es ist die Spiralnatur der Galaxienscheibe, die zum Bandcharakter der »Milchstraße« an unserem Nachthimmel führt. So kommt es, dass wir von der Nordhalbkugel aus direkt in den weiter außen liegenden Perseus-Spiralarm hineinschauen.

Dem Betrachter auf der Südhalbkugel erscheint die Milchstraße allerdings noch prächtiger, weil man von dort aus durch den Sagittarius-Arm hindurch in Richtung des Zentrums unserer Heimatgalaxie schaut. Dort ist astronomisch gesehen ordentlich viel los – die unzähligen Sterne in der Region des Bulges sorgen für das milchige Hintergrundlicht, das die südliche Milchstraße noch heller und schöner erscheinen lässt.

Aus der Tatsache, dass die Milchstraße den Himmel in zwei etwa gleichgroße Teile teilt, können wir folgern, dass sich die Sonne mit dem Sonnensystem ungefähr in der Hauptebene der Scheibe befindet. Wir sitzen also inmitten des Pfannkuchens – wenn wir nach oben oder unten blicken, können wir aus dem Pfannkuchen herausschauen, aber wenn wir in der Pfannkuchenebene um uns herumschauen, sehen wir nichts anderes als »Pfannkuchen« – also das Milchstraßenband um uns herum.

Bei längerem Hinsehen erkennt man schnell, dass die Milchstraße nicht homogen erhellt ist, sondern sehr viele kleinere und größere Strukturen aufweist. Dunkle Regionen wechseln sich mit helleren ab, und die Anzahl der sichtbaren Sterne kann sehr unterschiedlich sein. Die dunkleren Flecken – ein besonders prominenter wird der »Kohlensack« genannt – sind Gebiete, in denen das Sternenlicht auf dem Weg zu uns von interstellarem Gas und sehr dichten Staubwolken komplett blockiert wird. Dadurch bleibt das galaktische Zentrum für uns hinter dichten interstellaren Dunkelwolken verborgen und ist nur mit Hilfe der Radioastronomie für direkte Beobachtungen zugänglich. »Staub« bezieht sich auf kleinste Partikel wie Staubkörner oder auch zusammengeklumpte Staubkörner, die größere Partikel bilden, die aus verschiedenen Elementen wie Kohlenstoff oder Silizium bestehen. Entgegen dem ersten Eindruck werden die dunklen Bereiche im Band der Milchstraße nicht durch Wolken in der Erdatmosphäre oder Effekte im Auge verursacht, sondern durch diese riesigen Staubwolken. Vor allem an Orten der Sternentstehung in der Scheibe befindet sich jede Menge Staub. Staub hilft bei der Sternentstehung, da er das Gas kühlt, damit es sich überhaupt zu Sternen verdichten kann.

Die von jungen Sternen dicht besiedelte Scheibe – 95% aller Sterne befinden sich dort – ist zusätzlich von der größeren, sogenannten dünnen Scheibe umgeben, die wiederum von der »dicken Scheibe« eingehüllt wird. Abbildung 6.1 zeigt die Seitenansicht der Milchstraße, so dass die verschiedenen Scheiben erkennbar werden. Weiterhin sind alle Scheibenkomponenten von einer großen kugelförmigen Region umgeben, die als stellarer Halo bezeichnet wird. Der Halo hat eine wesentlich geringere Sterndichte als die Scheibe und enthält vornehmlich ältere Sterne sowie Sternhaufen und einige Zwerggalaxien. Alle Halo-Objekte umkreisen die Milchstraße weit draußen auf großen, meist kreisförmigen Bahnen. Denn der Halo erstreckt sich über mehrere Hunderttausende von Lichtjahren um die Milchstraße herum. Die Population der Halosterne ist für die Stellare Archäologie besonders wichtig, denn dort befinden sich die ältesten und metallärmsten Sterne.

Abb. 6.1 : Seitenansicht der Milchstraße, die die verschiedenen Komponenten der Galaxie verdeutlicht.

Die Anzahl der in der Milchstraße vorhandenen Sterne ist nur schwer abschätzbar, da der Übergang von einer Galaxie zum interstellaren Raum fließend und nur schwer erfassbar ist. Bei unserem Pfannkuchen ist es ganz deutlich, wo er aufhört. Eine Galaxie hat hingegen keinen scharfen Rand. Mit Computermodellen kann die Verteilung der Sterne in einer Galaxie simuliert werden, aber verschiedene Annahmen, wie zum Beispiel zur Sterndichte mit zunehmendem Abstand vom galaktischen Zentrum, führen schnell zu unterschiedlichen Ergebnissen. Zudem tragen die verschiedenen Sternpopulationen unterschiedlich zur Sterndichte in den verschiedenen Teilen der Galaxie bei. Die Sterndichte im Halo ist z.B. wesentlich geringer als die der Scheibe. Die verschiedenen Sterntypen spielen letztendlich auch noch eine wichtige Rolle, denn es muss abgeschätzt werden, wie viele Sterne von jedem Typ und jeder Klasse in der Galaxie vertreten sind. Dennoch ergibt dieses riesige Puzzlespiel, dass es zwischen 200 und 400 Milliarden Sterne in unserer Heimatgalaxie geben muss, von denen sich die meisten in der Scheibe und der dichten Zentralregion befinden. Die Sonne ist somit nur ein Stern unter vielen. Verglichen mit unserer Schwestergalaxie Andromeda ist die Milchstraße aber ein kleinerer Fisch im Universum. Die Andromeda-Galaxie hat ungefähr eine Billion Sterne, also drei- bis fünfmal soviel.

Schließlich ist die gesamte Milchstraßengalaxie in einen Halo aus dunkler Materie eingebettet. Der dunkle Halo ist noch viel größer als der sogenannte stellare Halo der Milchstraße, obwohl er direkten Beobachtungen unzugänglich ist und nur indirekt vermessen werden kann. Jede Galaxie ist von einem dunklen Halo umgeben, der sie gravitativ zusammenhält. Somit ist der leuchtende Teil der Milchstraße nur ein kleiner Teil der eigentlichen Galaxie, die letztendlich hauptsächlich aus dunkler Materie besteht. Zusammen mit der dunklen Materie besitzt die Milchstraße ca. 10¹² Sonnenmassen, was etwa 10⁴² kg entspricht (eine Eins mit 42 Nullen).

Die dunkle Materie in einer und um eine Galaxie herum zeigt sich erst bei einer sogenannten Rotationskurvenanalyse. Denn nur durch ihre Gravitation kann sich die dunkle Materie bemerkbar machen. In einer solchen Analyse wird die Rotationsgeschwindigkeit einer Galaxie bei verschiedenen Abständen vom Zentrum mit Hilfe des Doppler-Effekts gemessen. Aus der Verteilung der Sterne erwartet man, dass Galaxien in Zentrumsnähe schneller rotieren, weiter außen eher langsamer, genauso wie Wasser, das spiralförmig den Ausguss hinunterläuft. Ganz weit draußen rotieren sie kaum noch. Dennoch haben verschiedenste Beobachtungen von Spiralgalaxien ergeben, dass in den äußeren Gegenden immer noch eine erhebliche Rotation messbar ist. Der leuchtenden Materie nach zu urteilen, kann das nicht möglich sein. Geht man aber von der Existenz von zusätzlicher dunkler Materie aus, die sich vor allem in dem äußeren Teil der Galaxie befindet und zusammen mit der leuchtenden Materie rotiert, können die Beobachtungen dann jedoch schnell erklärt werden.

Als Astronomen arbeiten wir schon mehrere Jahrzehnte mit dunkler Materie, obwohl sie keine weiteren Wechselwirkungen mit leuchtender Materie hat. Simulationen der Entwicklung der dunklen Materie im Universum sind dabei für unser Verständnis zur Bildung von Galaxien und ihrer Entwicklung von großer Bedeutung. Aber sowohl Astronomen wie auch Physiker wissen nicht, aus was die dunkle Materie tatsächlich besteht. Viele Experimente werden zur Zeit mit der großen Hoffnung durchgeführt, die dunkle Materie direkt als Elementarteilchen detektieren zu können. Die beste Chance haben wohl die postulierten WIMPS, die »Weakly interacting massive particles« (auf Deutsch »schwach wechselwirkende massereiche Teilchen«), aber die genaue Antwort wird sich erst noch herausstellen müssen.