Forschungsbericht 2016 - Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

Unsere Galaxie, die Milchstraße

Autoren
Gerhard, Ortwin
Abteilungen
Wissenschaftsgruppe „Stellare Dynamik”
Zusammenfassung
Die Milchstraße ist eine Balkenspiralgalaxie, deren zentraler Teil, der rotierende Bulge, sich großenteils aus der Galaktischen Scheibe gebildet haben muss. Mit neuen Infrarot-Daten war es erstmals möglich, den Balken und Bulge räumlich zu vermessen. Damit lassen sich die Bahnen der Sterne in der inneren Galaxis vorhersagen und mit ihren chemischen Eigenschaften verknüpfen. Mit dynamischen Modellen untersuchen wir die heutige Struktur und die Entwicklungsgeschichte unserer Galaxis.

Die Milchstraße als Balkenspiralgalaxie

Anders als in entfernten Galaxien lassen sich in der Milchstraße die Bewegungen und physikalischen Eigenschaften vieler einzelner Sterne beobachten und analysieren. Das Ziel solcher Studien ist es, die in den Sternen codierte Entstehungsgeschichte der Milchstraße zu entziffern, wie es in anderen Galaxien nicht möglich ist. Der Ansatz mit astronomisch gesehen „lokalen” Beobachtungen universelle Prozesse zu erforschen (auch als Nahfeld-Kosmologie bezeichnet) begründet auch die derzeitige Aktualität der Milchstraßenforschung: Neben vielen bodengebundenen Studien erwarten wir in diesem Jahr die ersten Daten vom Gaia-Satelliten der ESA, der die Distanzen und Bewegungen von mehr als einer Milliarde Sterne messen wird.

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Abb. 1: Innere Milchstraße im sichtbaren Licht. Im Zentrum der ausgedehnten Sternscheibe erkennt man den Galaktischen Bulge. Die dunklen Streifen entstehen durch Wolken von Gas und Staub in der Galaktischen Scheibe, die das Licht der dahinterliegenden Sterne absorbieren.

Galaxien wie unsere Milchstraße bilden sich und wachsen über Zeiträume von Milliarden Jahren. Nach den derzeit besten kosmologischen Modellen werden sie von Agglomerationen Dunkler Materie dominiert, den sogenannten Dunklen Halos. Kaltes Gas fällt soweit nach innen, wie es seine Rotation erlaubt, setzt sich in eine Scheibe und bildet dort Sterne [1]. Von je weiter draußen im Universum Materie einfällt, umso länger dauert der Einfall und umso weiter vom Zentrum findet das Gas sein Gleichgewicht. Deshalb bilden sich Scheibengalaxien zuerst im Zentrum und wachsen dann in ihrer Ausdehnung.

In der Milchstraße gehören etwa drei Viertel aller Sterne, wie auch die Sonne, zu einer solchen rotierenden Scheibe, das restliche Viertel zu einer zentralen, dreidimensional ausgewölbten Komponente, dem Bulge, und nur weniger als ein Prozent zu einem quasi-sphärischen Halo [2]. Die Position des Sonnensystems inmitten der Gasscheibe, etwa 25.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt, erschwert Untersuchungen der großräumigen Struktur. So sind die zentralen Bereiche der Milchstraße in optischen Bildern nur teilweise sichtbar, da sie hinter dichten Wolken aus molekularem Gas und Staub liegen (Abb. 1). Die Staubteilchen absorbieren sichtbares Licht sehr viel stärker als die langwelligere Nahinfrarotstrahlung (Abb. 2), in der alte Sterne den größten Teil ihrer Energie abstrahlen. Die in Abbildung 2 sichtbare Asymmetrie des Bulges zusammen mit den Gasströmungen im Zentrum bildeten anfangs die beste Evidenz für eine Balkenstruktur in der Milchstraße.

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Abb. 2: Innere Milchstraße im nahinfraroten Licht. Die absorbierenden Streifen sind wesentlich schwächer ausgeprägt als im sichtbaren Licht; der zentrale Bulge ist deutlicher zu erkennen, wie auch seine leicht asymmetrische Form.

Jedoch konnte die genaue Struktur des Bulges der Milchstraße erst bestimmt werden, nachdem diese Himmelsregion mit einer Nahinfrarotkamera vollständig und mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit beobachtet worden war [3]. Die neuen Beobachtungen erlauben es, den Galaktischen Bulge in viele Einzelsterne aufzulösen und sie sind so empfindlich, dass man durch die Zentralgebiete hindurch helle Sterne am entfernten Rand der Galaxie vermessen kann. Dies erlaubte eine vorher nicht mögliche, dreidimensionale Darstellung des Galaktischen Bulges [4]. Durch Kombination dieser Daten mit weiteren Himmelsdurchmusterungen wurde es darüber hinaus möglich, Strukturen in der angrenzenden Sternscheibe zu untersuchen [5]. Für diese Arbeiten wurden aus den Daten die scheinbaren Helligkeiten einer Klasse von Riesensternen bestimmt, deren intrinsische Leuchtkraft annähernd konstant ist, sodass sich ihre Entfernung relativ genau bestimmen lässt. Mit geeigneten Methoden konnten statistische Entfernungsverteilungen von insgesamt ca. 15 Millionen solcher Sterne im gesamten Himmelsbereich zu einem Modell einer dreidimensionalen Sterndichteverteilung zusammengesetzt werden, das in Abbildung 3 illustriert ist.

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Abb 3: Sterndichteverteilung im Innenbereich der Milchstraße. Das mittlere Bild zeigt den Balken (grün, gelb) und den zentralen Bulge (rot) in der Aufsicht, wie auch die umgebende Sternscheibe mit der Position der Sonne. Die Spiralarme sind nicht dargestellt. Längenskalen sind in kpc angegeben (1 kpc = 3.260 Lichtjahre). Das obere Bild zeigt die Ansicht von der Sonne aus. In dieser Himmelsprojektion verwendet man Längen- und Breitenwinkel, wobei die Längenwinkel im mittleren Bild illustriert sind. Die Asymmetrie wird durch die Projektion verursacht. Das untere Bild zeigt die Seitenansicht der Bulge-Balken-Struktur. Nach [2, 5].

Die Abbildung zeigt die charakteristische Struktur einer Balkenspiralgalaxie. Im Zentrum des Balkens befindet sich der dreidimensionale Bulge mit erdnussartig anmutender Form in der Seitenansicht. Der Bulge geht kontinuierlich in den Balken über, der in seinen äußeren Bereichen eine stark abgeflachte Scheibenstruktur aufweist. Das Sonnensystem befindet sich in der Scheibe etwa 10.000 Lichtjahre vom Ende des Balkens entfernt.

Aus Geschwindigkeitsmessungen für einen kleinen Teil der Sterne im Bulge ließ sich dessen Masse bestimmen, zu etwa 1.8·1010 Mal die Masse der Sonne, wovon etwa 10–20% Dunkle Materie sind [6]. Die Masse der Sterne des abgeflachten Balkens ist etwa 1010 Mal die Sonnenmasse [5]; zusammen haben Bulge und Balken fast so viel Masse wie die Galaktische Scheibe.

Entwicklungsgeschichte einer Balkenspiralgalaxie

Wie bilden sich solche Balken? Wenn die Galaktische Scheibe im Laufe ihrer Entwicklung immer mehr Masse in Form von Sternen und Gas ansammelt, kann sie irgendwann instabil werden, so ähnlich, wie ein Boot instabil wird, wenn sein Schwerpunkt zu weit nach oben wandert. Dann bildet sich aus der rotierenden Scheibe zuerst ein Balken, der nun um eine Achse vertikal zur Scheibe und durch das Zentrum rotiert [7]. Danach bildet sich als Folge einer weiteren Instabilität der zentrale, erdnussartig verformte, dreidimensionale Teil des Balkens, der Bulge. Beide Komponenten entstehen also aus der Sternscheibe.

Wie „funktioniert” ein erdnussartig verformter Bulge? Sterne bewegen sich auf ihren Bahnen im Gravitationsfeld der Galaxie. In einer Scheibe, ähnlich wie im Sonnensystem, bewegen sich Sterne normalerweise angenähert auf Kreisbahnen. Im Gravitationsfeld der Milchstraße gibt es jedoch Sterne, die auf ihren Bahnen dem rotierenden Balken folgen. Diese Sterne bilden das „Rückgrat” des Balkens und halten ihn stabil [7]. Analog dazu gibt es Sterne, die auf ihren Bahnen dem rotierenden, erdnussartig verformten Bulge folgen und ihn gemeinsam stabil halten. Abbildung 4 zeigt eine solche Bahn [8].

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Abb. 4: Von der Seite gesehene Bahn eines typischen Sterns, der dazu beiträgt, den rotierenden, erdnussartig verformten Bulge in der Milchstraße stabil zu halten. Nach [8].

Früher dachte man, dass der Bulge der Milchstraße eine primordiale Komponente sei, die durch rapide Verschmelzungsprozesse mit intensiver Sternbildung vor der Entstehung der Galaktischen Scheibe in der Frühzeit des Universums entstand [9]. Die nun bestimmte Struktur des Bulges zeigt aber, dass der Bulge zum größten Teil aus der frühen Galaktischen Scheibe entstanden sein muss – die für die Analyse verwendeten Sterne sind repräsentativ für den Großteil aller Sterne. Wenn die Milchstraße überhaupt einen primordialen Bulge besitzt, muss dieser eine relativ unbedeutende Komponente sein.

Bulge und Scheibe bestehen aus Sternen sehr verschiedener chemischer Zusammensetzung. Anfangs bilden sich Sterne in der Galaktischen Scheibe aus Gaswolken, die fast nur aus Wasserstoff und Helium bestehen. Diese Sterne geben gegen Ende ihres Lebens mit schwereren Elementen angereichertes Gas an das interstellare Gas zurück. Aus dem angereicherten interstellaren Gas bilden sich wieder Sterne, die nun einen höheren Anteil schwererer Elemente enthalten, und so fort, bis das Gas aufgebraucht oder so stark aufgeheizt wird, dass es die Scheibe verlässt [10]. In unserer Milchstraße macht das restliche Gas nur noch etwa 10% der Masse der Sterne aus. Immer noch bilden sich Sterne, jedoch die meisten Sterne sind Milliarden Jahre alt: Der Sternbildungsprozess ist schon weit fortgeschritten. Man weiß heute auch, dass Sterne verschiedener chemischer Zusammensetzung sich im Mittel auf unterschiedlichen Bahnen bewegen. Dabei werden die Sternbahnen in den zentralen Regionen stark durch den Galaktischen Balken und Bulge geprägt. Diese „chemodynamische Struktur” ist ein Spiegel der Bildung und Evolution der Milchstraße. Sie zu vermessen und daraus den Galaxienbildungsprozess zu klären ist das Ziel der modernen Milchstraßenforschung. Ein Ziel, das sie mit dem komplementären Ansatz der Forschung an weit entfernten, jungen Galaxien teilt.

Literaturhinweise

1.
Mo, H.; van den Bosch, F.; White, S. D. M.
Book: Galaxy Formation and Evolution
Cambridge University Press, Cambridge UK (2010)
2.
Bland-Hawthorn, J.; Gerhard, O.
The Galaxy in Context: Structural, Kinematic & Integrated Properties
Annual Review of Astronomy and Astrophysics 54, arXiv:1602.07702, in press (2016).
3.
Saito, R. K.; Hempel, M.; Minniti, D.; Lucas, P. W.; Rejkuba, M.; Toledo, I.; Gonzalez, O. A.; Alonso-Garcia, J.; et al.
VVV DR1: The first Data Release of the Milky Way Bulge and Southern Plane from the near-infrared ESO Public Survey VISTA Variables in the Vía Láctea
Astronomy and Astrophysics 537, A107 (2012)
4.
Wegg, C.; Gerhard, O.
Mapping the three-dimensional Density of the Galactic Bulge with VVV Red Clump Stars
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 435, 1874–1887 (2013)
5.
Wegg, C.; Gerhard, O.; Portail, M.
The Structure of the Milky Way's Bar outside the Bulge
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 405, 4050 (2015)
6.
Portail, M.; Wegg, C.; Gerhard, O.; Martinez-Valpuesta, I.
Made-to-measure Models of the Galactic Box/Peanut Bulge: Stellar and Total Mass in the Bulge Region
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 448, 713–731 (2015)
7.
Binney, J.; Tremaine, S.
Book: Galactic Dynamics
Princeton University Press, Princeton, NJ USA (2008)
8.
Portail, M.; Wegg, C.; Gerhard, O.
Peanuts, Brezels and Bananas: Food for Thought on the Orbital Structure of the Galactic Bulge
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 450, L66-L70 (2015)
9.
Rich, R. M.
The Galactic Bulge
Book: Planets, Stars and Stellar Systems Vol. 5, by Oswalt, T. D.; Gilmore, G.; Springer, Science + Business Media,Dordrecht, p. 271 (2013)
10.
Pagel, B. E. J.
Book: Nucleosynthesis and Chemical Evolution of Galaxies
Cambridge University Press, Cambridge UK  (2009)
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