Struktur der Milchstraße

Schon vor 2500 Jahren spekulierten Philosophen wie Demokrit, dass die am nächtlichen Himmel prangende Milchstraße aus Myriaden von Sternen bestehe – was Galileo Galilei 1610 mit einem der ersten Fernrohre bestätigen konnte. Heute gehen wir davon aus, dass die Milchstraße rund 300 Milliarden Sterne (einschließlich der Braunen Zwerge) enthält. Ihre Gesamtmasse, zu der auch Gas- und Staubwolken sowie der Halo aus Dunkler Materie gezählt wird, beträgt schätzungsweise ein bis zwei Billionen Sonnenmassen, wobei die Dunkle Materie den überwiegenden Teil ausmacht.

Die Milchstraße ist eine ziemlich durchschnittliche Spiralgalaxie. Nach unseren bisherigen Erkenntnissen ist sie gekennzeichnet durch eine stark abgeplattete und reich mit Wasserstoffgas und Staub angefüllte Scheibe mit einer zentralen Ausbeulung, aus der Spiralarme herausragen. Ihre Struktur wird von der Schwerkraft bestimmt, welche mit dem Drehimpuls der in der Galaxis enthaltenen Materie ein Gleichgewicht bildet.

Aufgrund unserer Lage im Milchstraßensystem ist es gar nicht so einfach, die komplexe Struktur unserer Galaxis zu ermitteln. Weil wir Teil der Milchstraße sind, haben wir zwar einen hervorragenden Nahblick auf benachbarte Spiralarme und einzelne Sterne. Doch genau diese Ansicht von innen macht es sehr schwierig, die Struktur im Ganzen zu erfassen. Die Astronomen unterscheiden heute grob vier mehr oder weniger deutlich gegeneinander abgegrenzte Gebiete: Zentrale Verdickung (Bulge), dünne Scheibe, dicke Scheibe, Halo.

Bulge

Die zentrale Teil der Milchstraße, der Bulge (von engl.: Wulst, Ausbuchtung) hat die Gestalt einer abgeplatteten Ellipse, die das Schwarze Loch im galaktischen Zentrum umhüllt. Gemeinsam mit einer vergleichsweise dichten, balkenförmigen Sternansammlung bildet er eine zusammenhängende Struktur. Der Bulge spannt sich von dem inneren Balken auf eine maximale Dicke bis zu 15 000 Lichtjahren, bei einem Durchmesser von ungefähr 10 000 Lichtjahren. Neueste Modelle deuten darauf hin, dass ein Großteil seines Materials ursprünglich aus der Scheibe stammt. Wenn auch im Bulge sehr alte, massearme Sterne überwiegen, so entstehen doch auch heute noch neue Sterne.

Scheibe

Die flache, rotierende Scheibe hat einen Durchmesser von rund 100 000 Lichtjahren (oder 940 Billiarden Kilometern) und eine Dicke von 3000 Lichtjahren. Sie liegt nicht exakt in einer Ebene, sondern ist s-förmig gewellt: Ab einer Entfernung von 25 000 Lichtjahren vom Zentrum biegen sich die Außenbereiche auf der einen Seite leicht nach oben und auf der anderen nach unten. Es liegt nahe, dass die Verbiegung sehr wahrscheinlich von einer früheren Kollision mit einer nahen Zwerggalaxie (möglicherweise der Sagittarius-Galaxie; s. u.) ausgelöst wurde. Andere Möglichkeiten sind eine Einwirkung der Dunklen Materie oder intergalaktischer Wolken.

Die Verbiegung stellt nicht die einzige Asymmetrie in der Form der Milchstraße dar. Besonders ausgeprägt ist die einseitige Verdickung der äußeren Gasscheibe. In der Nähe der Sonne hat sie z. B. nur ein Sechstel der Mächtigkeit der äußeren Bezirke. Diese starke Asymmetrie ist instabil und sollte sich eigentlich mit der Zeit ausgleichen.

Die Sterne rotieren mit einer Geschwindigkeit von im Mittel 200 bis 250 km/s um das Zentrum der Galaxie. Jeder Stern folgt wie die Sonne seiner eigenen kreis- oder ellipsenförmigen Bahn, auf der er durch die Gravitation gehalten wird. In der Scheibe lassen sich eine sogenannte dünne Scheibe von etwa 2000 Lichtjahren Stärke und eine bis zu 3000 Lichtjahre starke dicke Scheibe unterscheiden. Die Sterne in der dicken Scheibe bestehen überwiegend aus Sternen, die sich bereits in der Jugendzeit der Galaxis gebildet haben. In der dünnen Scheibe finden sich überwiegend jüngere Sterne (wie die Sonne), reich an schwereren Elementen, sowie zahlreiche Gas- und Staubwolken. Sie machen zwar nur 5% der galaktischen Gesamtmasse aus, senden aber fast 90% des Lichts der Galaxie aus.

Die Gas- und Staubwolken machen bis zu 20% der sichtbaren Gesamtmasse aus. Mit Hunderten von Lichtjahren Ausdehnung und Ansammlungen bis zu 100 000 Sonnenmassen sind sie die größten und massereichsten Objekte innerhalb der Milchstraße. Die Molekülwolken bewegen sich, wie die Sterne, überwiegend auf fast kreisförmigen Bahnen um das galaktische Zentrum. Sie sind die eigentlichen Brutstätten neuer Sterne und stellen noch viele Milliarden Jahre den Rohstoff für sie bereit.

Da die Sterne in der dünnen Scheibe, wie etwa unsere Sonne, eine geringe Vertikalgeschwindigkeit haben, bleiben sie zumeist in der galaktischen Ebene und schwanken lediglich bis zu 1000 Lichtjahre beiderseits des galaktischen Äquators. Die Sterne der dicken Scheibe weisen etwas höhere Vertikalgeschwindigkeiten auf (sie schwanken um 3000 Lichtjahre um den galaktischen Äquator) und Halosterne noch höhere. (Von 1000 Sternen in unserer Nachbarschaft gehören etwa 989 zur dünnen Scheibe, 10 zur dicken Scheibe und ein Stern zum Halo.)

Die Dynamik der Milchstraße lässt sich nur mit der Annahme einer großen anziehenden Masse wie der Dunklen Materie erklären. Diese erstreckt sich weit über den stellaren Halo (s. u.) hinaus und muss annähernd sphärisch (kugelförmig) verteilt sein. Die Wissenschaftler machen die Dunkle Materie dafür verantwortlich, dass alle Sterne etwa gleich schnell um das Zentrum der Scheibe rotieren, egal, ob sie sich an deren Rand befinden oder weiter innen. Ihre Schwerkraft erhöht die Rotationsgeschwindigkeit der äußeren Bezirke der Scheibe, die den Gravitationsgesetzen zufolge mit steigender Entfernung vom Zentrum eigentlich abnehmen müsste.

Denn lange hieß es, dass die Dichte der Dunklen Materie im Zentrum am größten sei und mit dem Quadrat des Abstands vom Zentrum abfalle. Die Bahngeschwindigkeiten der Sterne passen aber besser zu einem Modell, demzufolge die Dichte der Dunklen Materie zum Zentrum der Milchstraße hin nicht stetig ansteigt, sondern sich abflacht. Das lässt jedoch auch darauf schließen, dass die Milchstraße in ihrem Zentrum weniger Dunkle Materie enthält als bislang angenommen, dementsprechend auch insgesamt auf weniger Masse kommt.

Spiralarme

Die Spiralmuster in der Milchstraßen-Scheibe sind ein Dichtewellenphänomen: Unabhängig von der Rotation der Sterne laufen sich selbst erhaltene Dichtewellen durch Sterne, Gas und Staub der Scheibe. Sie bewegen sich in der gleichen Richtung wie die Sterne um das Zentrum der Galaxie, allerdings mit geringerer Geschwindigkeit. So kommt es im normalen Verlauf dazu, dass Sterne bzw. Gas- und Staubwolken eine Dichtewelle „einholen„. Sie türmen sich dann regelrecht hinter einem Spiralarm auf und werden dabei – wie in einem kosmischen Verkehrsstau – zusammengedrückt.

Alle paar hundert Millionen Jahre wird alles in der Galaxie von diesem Prozess des Zusammendrückens erfasst. Das Gas verdichtet sich vorübergehend und es entstehen zahlreiche neue Sterne mit hoher Oberflächentemperatur, die sehr hell leuchten („blaue Sonnen„). Im Wellenmaximum ist die Sternentstehungsaktivität am höchsten. Die Wellenfront ist damit die Region größter Sternendichte und am hellsten leuchtender Gasnebel, die entlang der Hauptachsen der Umlaufbahnen anzutreffen sind. Deshalb zeigen sich die Spiralarme auch so deutlich in der Scheibe.

Die Materiedichte ist in einem Spiralarm insgesamt aber nur unwesentlich höher als im Rest der galaktischen Scheibe. Der große optische Unterschied beruht also nicht so sehr auf der Dichte der Materie, sondern vielmehr darauf, was in der Galaxis mit dem Material geschieht.

[Mehr als ein Dutzend langer, fadenförmiger Gaswolken (99% Gas, 1% Staub), die über die Spiralarme der Galaxis verstreut sind, könnten als Geburtsstätten für die vielen neuen Sterne dienen. Ihre Herkunft ist noch unklar. Möglicherweise werden sie durch Magnetfelder zusammengehalten.

Die Ausrichtung des Magnetfelds, das überall in der Milchstraße die interstellare Materie durchsetzt, stimmt vermutlich mit demjenigen der Spiralarme überein. Es wird wohl durch die gravitativen Kräfte in den Spiralarmen komprimiert und in die gleiche Richtung wie diese ausgerichtet.]

Wie von einem Wasserstrudel werden die Dichtewellen von der Drehung der Scheibe um das galaktische Zentrum mitgerissen, gekrümmt und zur Mitte hin immer stärker aufgewickelt. Es dauert 220 bis 250 Millionen Jahre, bis sich die Spiralarme einmal vollständig um das Zentrum der Milchstraße gedreht haben. Bisher geschah das etwa fünfzigmal. Bisher weiß noch niemand genau, wie viele Spiralarme die Milchstraße überhaupt hat. Die Fachleute gehen von vier großen Spiralarmen aus: Sagittarius-Carina-Arm, Scutum-Centaurus-Arm, Norma-Arm und Perseus-Arm. Was wir an klaren mondlosen Nächten als silbernes Band am Himmel erkennen, sind die anderen Spiralarme der Milchstraße. Von unserem eigenen Arm sehen wir die Sterne einzeln um uns herum.

Aber die Spiralstruktur unserer Galaxis ist keine statische, sondern eine dynamische Eigenschaft. Sie verschwindet nach ein paar Umläufen wieder und tritt mit einem anderen Muster hervor. Die Spiralarme sind also nicht dauerhaft, sondern nur zeitweilige Erhöhungen der Materiedichte, in denen Sterne und Molekülwolken dichter zusammenrücken.

Da die galaktische Scheibe ein dynamisches System ist, reagiert sie auch auf verschiedene von außen einwirkende Kräfte. So zerrt die Gravitation benachbarter Zwerggalaxien und Kugelsternhaufen ständig an der Scheibe, während diese Objekte die Galaxis umrunden, an ihr vorbeifliegen oder sie bisweilen sogar durchstoßen. Diese Störungen hinterlassen Spuren und können in der Scheibe z. B. ein Wellenmuster anregen. Die mehrfachen Kollisionen mit der Zwerggalaxie Sagittarius (s. u.) könnten die galaktischen Spiralarme der Milchstraße nicht nur geprägt, sondern ihre Entstehung sogar angestoßen haben.

Eine sehr dünne, wellenförmige Kette aus Gas und Sternentstehungsgebieten, die 9000 Lichtjahre lang und 400 Lichtjahre breit ist, ragt bis zu 500 Lichtjahre weit aus der Milchstraßenebene hinaus. Diese gigantische Struktur, bekannt als „Radcliff-Welle„, könnte mit einer Masse von über drei Millionen Sonnen die größte zusammenhängende Struktur sein, die je in der Milchstraße aufgefunden wurde. Sie gehört zum Orion-Spiralarm, einem kleinen Nebenarm, und macht etwa 40% von dessen Länge und 20% von dessen Breite aus. Die Form der Welle könnte auf die Wechselwirkung unserer Galaxis mit einem besonders massereichen Objekt (z. B. der Kollision mit einer Zwerggalaxie) zurückgehen. Auch der Einfall einer dichten Wolke Dunkler Materie vor 30 bis 50 Millionen Jahren ist als Ursache denkbar.

Unsere Sonne bewegt sich immer wieder durch diese Kette hindurch und ist vielleicht sogar darin entstanden. Sie dürfte in 13 Millionen Jahren die Welle wieder passieren. Das letzte Mal war das laut Berechnungen der Forscher vor 14 Millionen Jahren der Fall.

Halo

Die leuchtende Scheibe der Milchstraße schwebt nicht isoliert im Raum. Zusammen mit dem Bulge ist sie in den sphärischen stellaren Halo eingehüllt. Er hat einen Durchmesser von etwa 200 000 Lichtjahren und enthält kaum Staub, aber isolierte einzelne Sterne sowie Kugelsternhaufen. Die Einzelsterne stammen zumindest teilweise aus den Überresten kleinerer Sternsysteme, die vor Jahrmilliarden mit unserer Galaxis zusammenstießen und/oder durch Gezeitenkräfte zerrissen wurden. Die Komponenten des stellaren Halo kreisen wie die galaktische Scheibe um das galaktische Zentrum, allerdings viel langsamer (10 bis 30 km/s).

Der stellare Halo ist kein einheitliches Gebilde. Der innere Teil entstand vermutlich zuerst, denn seine Sterne enthalten dreimal so viele schwere Elemente wie die Sterne des äußeren Teils. Sie stammen vermutlich von massereichen Galaxien, die gleichsinnig mit der Milchstraße rotierten und von ihr verschluckt wurden. Später gerieten dann kleinere Sternsysteme, die sich in die entgegengesetzte Richtung drehten, in den Einflussbereich unserer Heimatgalaxie und wurden von deren Gezeitenkräften zerrissen. Als Folge verteilten sich ihre Sterne weiträumig und sammelten sich im äußeren Teil des stellaren Halo.

In der gesamten Milchstraße haben die Wissenschaftler inzwischen 152 Kugelsternhaufen nachgewiesen, die meisten im stellaren Halo. Noch bis zu 50 werden hinter galaktischem Gas und Staub oder im Bulge vermutet. Kugelsternhaufen sind kleiner als 100 Lichtjahre im Durchmesser und beherbergen typischerweise meist mehrere hunderttausend meist sehr alter Sterne. Es sind aber nicht nur Überbleibsel aus dem frühen Universum. Kugelsternhaufen haben sich auch immer wieder auf verschiedenen Wegen gebildet, als ganze Objekte oder durch Zusammenballung von kleineren Einheiten – und tun dies bis heute. Daher können sie sehr uneinheitlich hinsichtlich ihrer inneren Eigenschaften (Masse, Zusammensetzung, Alter und Dichte) sein.

Die dicht bevölkerten Kugelsternhaufen liegen in sehr großer Entfernung im stellaren Halo sphärisch um die Milchstraße verteilt – typischerweise in einem Abstand von etwa 30 000 Lichtjahren zueinander. Dabei umkreisen sie das galaktische Zentrum auf Bahnen, die in allen möglichen Winkeln zur Scheibe stehen und diese auch häufig durchstoßen. Wegen ihrer starken Bindung durch innere gravitative Kräfte sind die Kugelsternhaufen sehr langlebig. Gleichwohl existieren sie nicht ewig. Sie lösen sich als Folge von Störungen der inneren Stabilität (z. B. Gezeitenkräfte) irgendwann auf – meist lange bevor ihre Sterne verlöschen.

Das Ganze wird von einem allenfalls langsam rotierenden galaktischen Halo komplett eingehüllt, einer düsteren sphärischen, leicht abgeflachten Zone, die relativ wenige, alte Sterne – nur 10% von ihnen sind jünger als 10 Milliarden Jahre – und Kugelsternhaufen enthält, aber wohl neben ionisierten Gasen viel Dunkle Materie. Die fernen Sterne verraten, dass der galaktische Halo bis fast zur 2,5 Millionen Lichtjahre entfernten Andromeda-Galaxie reicht. Beide Galaxien sind also so groß, dass es zwischen ihnen fast keinen freien Raum mehr gibt.

Aus der Milchstraße hinaus

Sterne können der Milchstraße entfliehen. Wegen ihren enormen Massen müssen sie aber über 400 km/s schnell sein, mehr als doppelt so schnell wie die Sonne ums Zentrum der Milchstraße wandert. Für diese extrem seltenen Sterne wurde der Begriff „Hyperschnellläufer“ geprägt. Sie könnten einst Teil eines Doppelsternsystems gewesen sein. Immerhin sind mehr als die Hälfte der Sterne in unserer Galaxis Teil eines Doppelsternsystems. Irgendwann ist einer der Partner in einer Supernova explodiert oder wurde vom zentralen Schwarzen Loch zerrissen, was den zurückgebliebenen Stern auf Wanderschaft schickte. Insgesamt sollte es in der Milchstraße ungefähr 10 000 solcher Raser geben, schätzen die Forscher. (Einige Schnellläufer scheinen aus der Großen Magellanschen Wolke zu stammen, die sich mit 380 km/s relativ zur Milchstraße bewegt.) Etwa die Hälfte von ihnen sei so schnell unterwegs, dass sie aus unserer Galaxie letztlich wohl entkommen werden.

Mit Geschwindigkeiten von rund 1000 km/s entströmen der inneren Milchstraße gewaltige Mengen an energiereichen geladenen Teilchen. Sie stammen von unzähligen Sternexplosionen und -geburten, die in den vergangenen 100 Millionen Jahren im Herzen der Milchstraße stattfanden. So gibt es auch eine riesige, 3000 Jahre alte Struktur aus Positronen, die weit ins All hinaus ragt. Möglicherweise stammen diese Teilchen von einer Serie mehrerer Supernova-Explosionen oder aus dem Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs. Auch wird ein dünnes, heißes Wasserstoff-Plasma von Supernovae durch Hunderte von Lichtjahren große „Kamine“ aus der Scheibe in den Halo und darüber hinaus geblasen. Zudem reicht eine Aura schwach leuchtender Gammastrahlung unbekannter Herkunft teilweise mehrere tausend Lichtjahre weit ins All hinaus. (Aktuell werden Minipulsare als Erklärung favorisiert.)

REM