Die Milchstraße - Unsere Galaxie


Die Form der Milchstrasse war schon im Altertum als schwaches, milchig helles Sternenband am Nachthimmel bekannt. Eine antike griechische Sage berichtet von der Göttin Hera, die ihren Stiefsohn Herakles stillte. Als dieser einst zu ungestüm zubiss, wurde die ganze Milch über den Himmel verspritzt. Aus dem griechischen Wort "Gala" (Milch) entwickelte sich das Wort Galaxis.

Mit bloßem Auge können wir am klaren Nachthimmel ca. 7000 Sterne erkennen, die sich kosmisch gesehen in unserer näheren Umgebung befinden. Was unseren Augen als blasses Milchstraßenband erscheint, sind unzählige weiter entfernte Sterne, die uns wie ein Nebel erscheinen. Beobachtet man den Himmel mit einem Fernrohr, sieht man zwar wesentlich mehr Sterne; allerdings werden bei immer höheren Vergrößerungen nicht beliebig viele Sterne sichtbar. Daraus kann man schließen, dass sich unser Sonnensystem in einer "Sternwolke" begrenzten Umfangs befindet, die von einem riesigen Leerraum umgeben ist. Eine solche Sternwolke bezeichnet man als Galaxie, für unsere Galaxie benutzt man die Bezeichnung "Galaxis" oder "Milchstrasse".

Die genauere Form dieser Sternwolke kann man schon beim Betrachten des Himmels ohne Teleskop erkennen (Das Bild links zeigt einen Blick in der Richtung des auffälligsten Bereichs der Milchstrasse, hinter den Dunkelwolken verbirgt sich das galaktische Zentrum). Das unregelmäßige Band erstreckt sich über den gesamten Himmel und weist eine "Verdichtung" auf. Schaut man nun senkrecht zu diesem Band in den Himmel, erkennt man wesentlich weniger Sterne, woran sich auch nichts ändert, wenn man ein starkes Fernrohr verwendet. Diese Beobachtungen zeigen, dass die Milchstraße die Form einer flachen "Scheibe" mit einem "Kern" besitzt. Zur ersten Vorstellung der Scheibenform gelangte bereits Wilhelm Herschel im Jahr 1785 aufgrund systematischer Sternzählungen. Radioastronomen haben dies genauer untersucht und fanden heraus, dass die "Scheibe" 4 bis 5 Spiralarme besitzt. Unser Lokaler Arm (auch Orion-Arm genannt) befindet sich zwischen dem Sagittarius-Arm und dem Perseus-Arm. Heutzutage vermutet man allerdings, dass der Lokale Arm nicht vollständig ist. In allen Armen befinden sich enorme Ansammlungen von Wasserstoff, weshalb hier die meisten neuen Sterne entstehen. Im laufe der Zeit verteilen sich diese über die ganze Spirale. Besonders hell leuchtende, massereiche Sterne bleiben aber Aufgrund ihrer recht kurzen Lebensdauer meist in der Nähe der Wasserstoffansammlungen, was dazu führt, dass die Arme hell hervortreten. Die Bereiche zwischen den Armen sind also nicht leer, sondern lediglich weniger leuchtstark und besitzen nur ein bisschen weniger Masse.

Das Sonnensystem liegt auf dem Orion-Arm, zwischen dem Sagittarius-Arm und dem Perseus-Arm (s. Bild rechts). Die Milchstraße ist aber kein statisches Gebilde, sondern alle Arme drehen sich um das Galaktische Zentrum. Die Sonne befindet sich grob 30.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt, und braucht für eine Umrundung des Zentrums etwa 230 Millionen Jahre. Ihre Geschwindigkeit auf der Umlaufbahn beträgt ca. 230 km/s. Unsere Sonne und die anderen Sterne befinden sich allerdings nicht immer exakt in der Scheibenebene, sondern sie pendeln langsam vertikal durch sie hindurch. Bei unserer Sonne dauert eine solche Pendelbewegung grob 60 Millionen Jahre.  Das kann recht gefährlich sein: kommen während der Pendelbewegung des Sonnensystems durch die Galaxie andere Sterne in die Nähe, können sie durch ihre Schwerkraft die Oortsche Wolke stören, die unser Sonnensystem in großer Entfernung wie eine riesige Kugelschale voller Kometenkerne umgibt. Es werden dann Kometenkerne auch in Richtung zur Sonne umgelenkt, die sich auf den jahrhunderte dauernden Weg zu Sonne machen, und als langperiodische Kometen auch die Erde gefährden können, weil sie mit extrem hoher Geschwindigkeit bei uns ankommen.

Zurzeit befindet sich unsere Sonne etwa 15 Lichtjahre nördlich der galaktischen Symmetrieebene. Dort ist das Sonnensystem einer stärkeren kosmischen Strahlung ausgesetzt. Die Milchstrasse selbst bewegt sich mit 200 km pro Sekunde in grob nördlicher Richtung, und der "galaktische Wind" (aus der Milchstrasse austretende geladene Partikel) wird in Bewegungsrichtung gestaucht. Die Schutzwirkung des galaktischen Windes gegen die aus dem Kosmos einströmende, hochenergetische Strahlung wird dadurch verringert, und führt beim Verlassen der galaktischen Scheibe nach Norden alle 60 Millionen Jahre zu einer Periode erhöhter Strahlenbelastung auf der Erde. Einige Wissenschaftler wollen nun nachgewiesen haben, dass die Anzahl der Arten (Biodiversität) auf der Erde mit eben dieser Periode schwankt, und so ein Beleg für die Gefahr der zeitweise erhöhten komischen Strahlung gegeben ist.

Aus der Relativbewegung der Sterne zueinander folgt außerdem, dass sich die Sternbilder im Laufe der Zeit verändern, jedoch ist die Zeitspanne für eine deutlich sichtbare Veränderung so groß, das wir Menschen sie praktisch nicht bemerken. Ein Beispiel hierfür ist der Polstern "Polaris" , der im Moment recht dicht am nördlichen Himmelspol steht. In 10.000 Jahren wird er weit weg gewandert sein, und die Rolle des Polsterns wird dann Vega übernehmen! Man schätzt, dass sich neben der Sonne bis zu 300 Milliarden andere Sterne in der Milchstraße befinden. Die gesamte Milchstraße hat den unvorstellbaren Durchmesser von 100.000 Lichtjahren, und eine Dicke von ca. 1000 Lichtjahren.


Das Zentrum der Milchstraße konnte lange nicht beobachtet werden, denn es ist von dunklen Gaswolken umgeben, die für sichtbares Licht undurchdringlich sind. Ab den 1950er Jahren gelang es im Radiowellenbereich sowie mit Infrarotstrahlung (s. Bild, die Höhe des Bildes entspricht ungefähr einem Lichtjahr) und Röntgenstrahlung die Materie, die den direkten Blick auf das Zentrum verwehrt, zu durchdringen. Man konnte dabei feststellen, dass die Sterndichte im Zentrum über1000.000 mal höher ist als in Sonnennähe.

Man beobachtete nun über 10 Jahre hinweg die Bewegungen der Sterne in der direkten Umgebung des Zentrums. Da man interessiert war, wie viel Masse sich im Zentrum befindet, hat man die Bewegungsgeschwindigkeiten der zentrumsnahen Sterne gemessen. Aus diesen Geschwindigkeiten kann man auf die dort konzentrierte Masse schließen. Die Sterne im Galaktischen Zentrum bewegen sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten, bis zu 15.000 km/s. Das bedeutet also, dass in einem Bereich nicht viel größer als das Sonnensystem mehr als 3 Millionen(!) Sonnenmassen vorhanden sein müssen. Wegen dieser sehr großen Masse auf so kleinem Raum kann es sich nur um ein riesiges Schwarzes Loch handeln, das sich im Milchstraßenzentrum befindet, was sich auch durch Röntgenstrahlung bemerkbar macht. Die Röntgenquelle wird Sagittarius A* genannt. Die Existenz dieses Schwarzen Loches bestätigt sich auch durch die von Radioteleskopen gemessene Gasbewegung im Kernbereich. Normalerweise verschlingen schwarze Löcher unter Abgabe unvorstellbarer Energiemengen wie eine riesige Bestie alle Materie, die ihnen zu nahe kommt. Das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie befindet sich allerdings momentan in einer inaktiven Phase, pro Jahr verschlingt es nur eine 100.000stel Sonnenmasse, daher ist seine Leuchtkraft äußerst gering. Erst in ca. 70 Millionen Jahren wird eine neue Aktivitätsphase eintreten. Gelegentlich kommt es allerdings vor, dass das Schwarze Loch die Masse eines Kleinplaneten (fest oder gasförmig) einfängt und verschlingt. Während einem solchen Ereignis konnte man auf der Erde für etwa 3 Stunden lang eine Röntgenstrahlung feststellen, die 45 mal so stark wie gewöhnlich vom galaktischen Zentrum ausging.

Bei Untersuchungen des Kernbereichs der Milchstraße im Infrarotbereich stellte man außerdem auch fest, dass unsere Galaxie einen zentralen Balken (s. auch Bild oben rechts) aufweist. Dieser ist zur Verbindungslinie Galaktisches Zentrum - Sonnensystem um 45° gedreht. Somit ist unsere Galaxie eine Balken-Spiralgalaxie. In ferner Zukunft wird sich voraussichtlich die Milchstraße zu einer "normalen" Spiralgalaxie entwickelt haben und der Balken verschwunden sein. Alle Gebiete hinter dem Kernbereich sind für uns nicht beobachtbar, da diese vom Zentrum abgeschattet und überdeckt werden. Wie dort die Spiralarme verlaufen, kann man folglich nur vermuten.


Links: Kugelsternhaufen im Halo der Milchstrasse gehören zu den ältesten Objekte im Universum.

 

Rechts: Neben den Sternen gibt es noch Materie in Nebeln, hier der Orion-Nebel.


Materie in der Milchstrasse:  Die Scheibe der Milchstraße ist von einem kugelförmigen "Halo" umgeben, in dem sich nur Gas mit sehr geringer Dichte, sehr wenige Einzelsterne und einige Kugelsternhaufen befinden. Letztere "pendeln" durch die Ebene der Galaxis, und verlieren dabei ihre gasförmige Materie. Die Kugelsternhaufen gehören zu den ältesten Objekten in der Galaxie; durch die Analyse des von ihnen ausgesandten Lichts (Messung des Berylliumanteils) kann man auf das Alter schließen. Das Alter eines untersuchten Kugelsternhaufen beträgt etwa 13,6 Milliarden Jahre.

Neben Sternen gibt es in der Milchstraße auch interstellare Materie, die in Sternen enthaltene Masse steht zur interstellaren Materie im Verhältnis 9 zu 1. Die interstellare Materie besteht aus 60% H , 38% He und 2% Staub, und ist viel dünner als das beste Laborvakuum! Sie kann trotz ihrer extrem geringen Dichte in Form von wunderschönen "Nebeln" in Erscheinung treten. Dabei wird sie von Sternen beleuchtet bzw. zum Leuchten angeregt (Reflexions- bzw. Emissionsnebel). Die geringe Dichte wird dabei durch die ungeheuren beteiligten Volumina ausgeglichen. Diese Nebel (z.B. der Orionnebel) sind die Geburtsstätten neuer Sterne, die sich aus der Nebelmaterie zusammenballen.

Allerdings stößt man bei gemessenen Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen schnell auf merkwürdige Unstimmigkeiten, was die Masse unserer Galaxie anbelangt. Sterne, die außen in der Galaxie das Zentrum umkreisen, bewegen sich mit zu hohen Geschwindigkeiten. Eigentlich müssten sie also schon längst durch die Zentrifugalkraft aus der Milchstraße herausgeschleudert worden sein, dennoch bewegen sie sich auf ihrer kreisförmigen Umlaufbahn. So etwas beobachtete man nicht nur in der Milchstraße, sonder ebenfalls in anderen Galaxien und Sternhaufen. Das kann wohl nur dadurch erklärt werden, dass unser Universum (und damit auch die Milchstraße) mehr Masse besitzt als wir erkennen können. Neuen Erkenntnissen nach macht die für uns sichtbare "normale" Materie nur weniger als 5% aus, der Rest besteht eventuell aus noch völlig unbekannter "Dunkler Materie" und zu 70% aus noch geheimnisvollerer "Dunklen Energie", von der man noch überhaupt keine Ahnung hat, was das genau sein könnte! Demnach wäre das uns bekannte Universum (Sterne, Nebel, etc.) eher als  kleine "Verunreinigung" in der unbekannten "Dunklen Komponente" zu sehen.


Die nächste Umgebung der Milchstrasse: Noch zur Milchstraße gehören die beiden Magellan'schen Wolken, zwei Zwerggalaxien, die unsere Galaxie begleiten. Andere relativ nahe gelegene Galaxien fasst man mit der Milchstraße zur so genannten "Lokalen Gruppe" zusammen. Die bekannte Andromeda-Galaxie ist die zweitgrößte Galaxie in der Lokalen Gruppe; ähnlich wie die Milchstraße wird auch sie von Zwerggalaxien begleitet. Die lokale Gruppe wiederum fasst man mit anderen Galaxiehaufen zum so genannten "Virgo Superhaufen" zusammen. Der Virgo Superhaufen erstreckt sich über unglaubliche mehrere hundert Millionen(!) Lichtjahre. Im Universum gibt es ungefähr 100.000.000.000. Galaxien! Wer genauer über die Lage unserer Galaxie im Universum erfahren möchte, findet hier weitere Information und schöne Grafiken!



Zusammenfassung Milchstrassensystem

Entfernung zum nächsten Stern:

4,2 Lj

Form des Milchstrassensystems:

Flache Spirale, umgeben vom kugelförmigen Halo (s. Skizze!)

Sterndichte im Zentrum:

106 mal so groß wie in Sonnennähe

Zahl der Sterne:

über 1011 (hundertmilliarden Sterne!)

Bewegung der Sterne:

Umlauf um das Zentrum (Sonne: 2,3108 a); Relativbewegungen der Sterne zueinander verändern die Sternbilder!

Zusammensetzung:

90% der Masse in Sternen, 10% in interstellarer Materie, zusätzlich eine riesige Menge exotischer Dunkelmaterie?

Nebel:

Interstellare Materie wird von Sternen beleuchtet oder zum Leuchten angeregt (Reflexions- bzw. Emissionsnebel) oder sie verschluckt deren Licht (Dunkelnebel).


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Nicolas Labonte / PW