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Galaxis

Die Galaxis (Milchstraße)

von

Andreas Schwarz

 

Die Galaxie, in der unser Sonnensystem liegt, wird als Galaxis bezeichnet. Das Wort kommt aus dem Griechischen und bedeutet Milchstraße. Nach einer alten griechischen Sage soll die Göttin Hera Milch verschüttet haben, so dass die Milchstraße am Himmel entstanden ist. Tatsächlich ist die Milchstraße eine gewöhnliche Galaxie, welche aus rund 300 Milliarden Sternen und Interstellarer Materie besteht. Die sichtbare Materie (Sterne + Interstellare Materie) macht etwa 400 Milliarden Sonnenmassen aus. Allerdings ist die Galaxis in einem sphärischen Halo aus Dunkler Materie gehüllt. Zusammen mit der Dunklen Materie beträgt die Gesamtmasse der Galaxis etwa 9,4 Billionen Sonnenmassen. Nach modernen Erkenntnissen ist die Milchstraße eine Balkenspiralgalaxie mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren. Die Dicke der Scheibe beträgt etwa 3.000 Lichtjahre und die des Bulges rund 16.000 Lichtjahre. In dem Bulge bzw. im Zentrum der Galaxis befindet sich ein Supermassives Schwarzes Loch von rund vier Millionen Sonnenmassen.

 

Die Galaxis besteht aus vier Bereichen:

 

  • Die Scheibe;

  • Die zentrale Verdickung (Bulge);

  • Einem Halo, eine sphärische Verteilung von Sternen und Kugelsternhaufen um die Scheibe herum;

  • Einem Halo aus Dunkler Materie, welche sich sphärisch um die Galaxis verteilt.

 

Nach einer Definition der Internationalen Astronomischen Union (IAU) liegt das Sonnensystem 8,5 Kiloparsec (kpc) vom galaktischen Zentrum entfernt. Ein Kiloparsec (kpc) entspricht 1.000 Parsec (pc) und ein Parsec (pc) entspricht 3,26 Lichtjahren (LJ). Tatsächlich dürfte die Entfernung des Sonnensystems vom galaktischen Zentrum etwa 8,0 kpc entsprechen, was einer Entfernung von 26.080 Lichtjahren entspricht. Ein Lichtjahr ist die Strecke, welche das Licht mit einer Geschwindigkeit von c = 299.792.458 m/s in einem Jahr zurücklegt. Das entspricht einer Entfernung von 9,46 Billionen Kilometern. In der Extragalaktischen Astronomie und der Kosmologie sind Entfernungen von Megaparsec üblich. Ein Megaparsec (Mpc) entspricht einer Million Parsec.

 

In der galaktischen Ebene und in den Spiralarmen befinden sich größere Konzentrationen von Interstellarer Materie. Diese Materie besteht aus Gas und Staub. Interstellar bedeutet zwischen den Sternen. Sie besteht zu etwa Dreiviertel aus Wasserstoff und zu etwa einem Viertel aus Helium. Alle schwereren Elemente, in der Astrophysik als Metalle bezeichnet, kommen nur in geringen Anteilen vor. Aus dieser Materie entstehen wiederum Sterne. Genaugenommen aus Wolken, welche aus Interstellarer Materie bestehen. Gewöhnliche Interstellare Materie hat eine Dichte von etwa einem Teilchen pro Kubikzentimeter. Dies ist praktisch ein ideales Vakuum. Wolken aus Interstellarer Materie haben Dichten von etwa 10 bis 100 Teilchen pro Kubikzentimeter. In diesen Bereichen der Galaxis findet also noch Sternbildung statt. Diese jungen Sterne werden unter dem Begriff „Population I“ zusammengefasst. Sie strahlen bläulich und haben einen höheren Anteil an sogenannten Metallen. Dies resultiert daher, dass Sterne der vorherigen Generation bereits durch Kernfusion Elemente mit höheren Massezahlen als Helium erzeugt und damit die Interstellare Materie angereichert haben. Die Sterne der Population I finden sich in Offenen Sternhaufen, in Sternassoziationen und in der Nähe von interstellaren Wolken aus Gas und Staub.

 

In dem Bulge und jenseits der galaktischen Ebene befinden sich ältere Sterne. Zum Teil befinden sie sich in der Endphase ihrer Entwicklung, wurden zu sogenannten Roten Riesen und strahlen daher rötlich. Diese Sterne werden unter dem Begriff „Population II“ zusammengefasst. In dem Bulge und außerhalb der galaktischen Ebene ist die Konzentration an Interstellarer Materie deutlich geringer und es kommt nicht mehr zu Sternbildungen. Aufgrund ihres höheren Alters ist der Anteil an Metallen in diesen Sternen deutlich geringer.

 

Von der Erde aus betrachtet liegt das Zentrum der Galaxis im Sternbild des Schützen. Eine exakte Definition des Zentrums ist schwierig. Allerdings umlaufen die Sterne der Galaxis dieses Zentrum, welches im optischen Bereich durch interstellare Gas- und Staubwolken verdeckt wird. Im Radiobereich ist es beobachtbar und zeigt eine komplexe Struktur. Zunächst gibt es eine zentrale Scheibe aus nicht ionisiertem Wasserstoffgas, so genannte HI-Gebiete. Mit der römischen Ziffer I wird nicht ionisierte Materie beschrieben. Die Ziffer II würde einfach ionisierte Materie bzw. in unserem Fall einfach ionisierter Wasserstoff bezeichnen. Jede höhere Ziffer würde eine entsprechend höhere Ionisationsstufe bedeuten. Allerdings hat Wasserstoff nur ein Elektron in der Hülle, so dass es maximal eine Ionisationsstufe hat. Bei allen anderen Elementen sind auch höhere Ionisationsstufen, jedoch maximal so viele wie es Elektronen in der Hülle hat, möglich. Die Scheibe aus HI-Gas hat eine Ausdehnung von 100 bis 1.000 pc. Aus der Rotationsgeschwindigkeit dieser Scheibe kann eine Masse von rund 30 Millionen Sonnenmassen innerhalb eines Radius von 2.000 pc abgeleitet werden. Es gibt Radiofilamente, welche sich senkrecht zur galaktischen Scheibe ausdehnen. Des Weiteren gibt es sogenannte Supernova-Überreste. Im Zentralbereich gibt es auch zahlreiche Kugelsternhaufen und Gasnebel. Im Röntgenbereich sind die Emissions-Linien von sehr heißen Gasnebeln und Röntgen-Doppelsterne sichtbar.

 

Die inneren 8 pc bzw. 26,08 Lichtjahre enthalten die Radioquelle Sagittarius A. Diese besteht aus folgenden Komponenten:

 

  • Einem zirkumstellaren molekularen Ring, welcher einen inneren Radius von 2 pc und einen äußeren von 8 pc hat. Dieser Torus hat eine auffällig scharfe innere Kante, welche wohl durch ein energetisches Ereignis im galaktischen Zentrum innerhalb der letzten 100.000 Jahre entstanden sein dürfte.

  • Sagittarius Ost ist eine Quelle von nicht-thermischer Synchrotronstrahlung. Diese Strahlung entsteht aufgrund der spiralförmigen Beschleunigung von geladenen Teilchen um Magnetfeldlinien. Es dürfte sich bei dieser Quelle um den Überrest einer Supernova handeln, welche vor 100 bis 5.000 Jahren stattfand.

  • Sagittarius West ist eine thermische Quelle aus heißem ionisiertem Wasserstoffgas. Diese HII-Region zeigt eine spiralige Struktur.

  • Sagittarius A* ist eine starke kompakte Radioquelle, welche sich nahe des Zentrums von Sagittarius West befindet. Die Ausdehnung der Quelle beträgt weniger als 3 AE und strahlt im Millimeter- und Zentimeterbereich. Sagittarius A* dürfte das Zentrum der Galaxis sein und mit einem Supermassiven Schwarzen Loch assoziiert sein.

 

Um die Quelle Sagittarius A* konzentriert sich ein Sternhaufen mit hoher Sterndichte. Innerhalb von einer Millionen Jahre kann es hier zu nahen Sternbegegnungen kommen. Aufgrund der Dynamik der Sterne des Haufens kann auf eine zentrale Massenkonzentration geschlossen werden, welche eine Ausdehnung von nur etwa 0,01 pc und eine Masse von rund vier Millionen Sonnenmassen hat. Hierbei handelt es sich um das bereits angesprochene Supermassive Schwarze Loch. Dieses dürfte bei der Entstehung der Galaxis entstanden sein.

 

In einem sphärischen Halo mit einem Durchmesser von etwa 1.000 kpc befinden sich Sterne der Population II und Kugelsternhaufen. Die Kugelsternhaufen dürften zusammen mit der Galaxis entstanden sein und gehören daher zu deren ältesten Bestandteilen. Die Sterne in diesen Haufen sind sehr alt, rötlich und enthalten im Prinzip keine Metalle. Daher wird im Falle dieser Sterne auch von Angehörigen der extremen Population II gesprochen. Die Galaxis verfügt etwa über 150 bekannte Kugelsternhaufen. Der tatsächliche Anteil dürfte wesentlich höher sein. Im Falle der Milchstraße werden weitere 10 bis 20 unentdeckte Kugelsternhaufen vermutet. Doch muss dies noch nicht die Grenze sein. So verfügen die anderen Galaxien in der Regel über mehrere Hundert Kugelsternhaufen, so die Andromedagalaxie über rund 500.

 

Der noch viel größere Halo aus Dunkler Materie lässt sich nur indirekt nachweisen, aufgrund des Rotationsverhaltens der Sterne in der Galaxis. Für die Bewegung der Sterne um das galaktische Zentrum gelten die Keplerschen Gesetze. Bestünde die Galaxis nur aus der sichtbaren Materie, also aus Sternen und Interstellarer Materie, dann müsste die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne um das galaktische Zentrum mit steigendem Abstand von diesem Zentrum abnehmen. Tatsächlich bleibt die Rotationsgeschwindigkeit jedoch konstant. Die plausibelste Erklärung hierfür ist die Annahme einer größeren Menge an Dunkler Materie, welche einen Anteil von rund 80 Prozent an der Gesamtmaterie hat. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die sichtbare Materie aus Sternen und Interstellarer Materie nur einen Anteil von 20 Prozent an der Gesamtmaterie in der Galaxis ausmacht. Die Dunkle Materie wechselwirkt zwar gravitativ, nicht jedoch elektromagnetisch. Sie kann daher nur aufgrund ihrer gravitativen Wirkung auf sichtbare Materie indirekt wahrgenommen werden, ist selbst jedoch in allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums absolut unsichtbar. Was hinter der Dunklen Materie steckt, ist noch ungeklärt. Vermutet werden massive Teilchen jenseits des Standardmodells. Die große Mehrheit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler favorisiert diese These. Von einer Minderheit werden auch Thesen vertreten, wonach die gängigen Gravitationstheorien reformiert werden müssten. Nach diesen Thesen sollen sich bei größeren Abständen die gravitativen Gesetzmäßigkeiten ändern und so die Existenz der Dunklen Materie vortäuschen.

 

Weitere ausführliche Informationen über die Galaxis (Milchstraße) befinden sich in Kapitel 2 der nachfolgenden Abhandlung „Extragalaktische Astronomie"

Extragalaktische Astronomie
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