Astronomie
Lernziele
Am Ende dieses Abschnitts werden Sie in der Lage sein:
- Beschreiben Sie die Struktur der Milchstraße und wie Astronomen sie entdeckten
- Vergleichen Sie theoretische Modelle für die Entstehung von Spiralarmen in Scheibengalaxien
Astronomen konnten nach der Entdeckung der 21-cm-Linie, die von kühlem Wasserstoff stammt, enorme Fortschritte bei der Kartierung der Spiralstruktur der Milchstraße machen (siehe Zwischen den Sternen: Gas und Staub im Weltraum). Es sei daran erinnert, dass der interstellare Staub uns daran hindert, Sterne in großen Entfernungen in der Scheibe bei sichtbaren Wellenlängen zu sehen. Radiowellen mit einer Wellenlänge von 21 cm durchdringen jedoch den Staub und ermöglichen es den Astronomen, Wasserstoffatome in der gesamten Galaxis zu entdecken. Neuere Durchmusterungen der Infrarotemission von Sternen in der Scheibe haben einen ähnlichen staubfreien Blick auf die Sternverteilung in unserer Galaxis ermöglicht. Trotz all dieser Fortschritte in den letzten fünfzig Jahren stehen wir noch ganz am Anfang, wenn es darum geht, die genaue Struktur unserer Galaxie zu bestimmen.
Die Arme der Milchstraße
Unsere Radiobeobachtungen der gasförmigen Komponente der Scheibe deuten darauf hin, dass die Galaxie zwei große Spiralarme hat, die aus dem Balken hervorgehen, sowie mehrere schwächere Arme und kürzere Ausläufer. Eine kürzlich erstellte Karte der Struktur der Arme unserer Galaxie, die aus Studien im Infraroten abgeleitet wurde, ist in Abbildung 1 zu sehen.
Abbildung 1. Milchstraßenbalken und -arme: Hier sehen wir die Milchstraßengalaxie, wie sie von oben aussehen würde. Dieses Bild, das aus Daten der WISE-Mission der NASA zusammengesetzt wurde, zeigt, dass die Milchstraßengalaxie in ihren zentralen Regionen einen bescheidenen Balken aufweist. Zwei Spiralarme, Scutum-Centaurus und Perseus, entspringen an den Enden des Balkens und wickeln sich um den Bulge. Der Sagittarius- und der Outer-Arm haben weniger Sterne als die beiden anderen Arme. (Credit: Modifikation einer Arbeit von NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech))
Die Sonne befindet sich in der Nähe des inneren Randes eines kurzen Arms, des so genannten Orionsporns, der etwa 10.000 Lichtjahre lang ist und so auffällige Merkmale wie den Cygnus-Spalt (den großen Dunkelnebel in der Sommermilchstraße) und den hellen Orionnebel enthält. Abbildung 2 zeigt einige andere Objekte, die diesen kleinen Teil der Galaxie mit uns teilen und leicht zu sehen sind. Je weiter wir uns von unserem eigenen Arm entfernen, desto mehr Staub sammelt sich in der Galaxie an und macht es schwer, sie mit sichtbarem Licht zu sehen.
Abbildung 2. Orion-Sporn: Die Sonne befindet sich im Orionsporn, einem kleinen Spiralarm, der zwischen zwei anderen Armen liegt. In diesem Diagramm weisen die weißen Linien auf einige andere bemerkenswerte Objekte hin, die sich dieses Merkmal der Milchstraßengalaxie mit der Sonne teilen. (credit: Modifikation einer Arbeit von NASA/JPL-Caltech)
Bildung der Spiralstruktur
In der Entfernung der Sonne von ihrem Zentrum dreht sich die Galaxie nicht wie ein massives Rad oder eine CD in Ihrem Player. Die Art und Weise, wie sich einzelne Objekte um das Zentrum der Galaxie drehen, ähnelt vielmehr dem Sonnensystem. Die Sterne sowie die Gas- und Staubwolken gehorchen dem dritten Keplerschen Gesetz. Objekte, die weiter vom Zentrum entfernt sind, brauchen länger, um eine Umlaufbahn um die Galaxie zu vollenden, als solche, die näher am Zentrum sind. Mit anderen Worten: Sterne (und interstellare Materie) auf größeren Bahnen in der Galaxie hinken denen auf kleineren Bahnen hinterher. Dieser Effekt wird als differentielle galaktische Rotation bezeichnet.
Die differentielle Rotation scheint zu erklären, warum ein so großer Teil des Materials in der Scheibe der Milchstraße in länglichen, spiralarmähnlichen Gebilden konzentriert ist. Unabhängig von der ursprünglichen Verteilung des Materials kann die differentielle Rotation der Galaxie es zu spiralförmigen Gebilden ausdehnen. Abbildung 3 zeigt die Entwicklung von Spiralarmen aus zwei unregelmäßigen Blöcken interstellarer Materie. Man beachte, dass sich die Teile der Kleckse, die dem galaktischen Zentrum am nächsten sind, schneller bewegen, während die weiter außen liegenden Teile zurückbleiben.
Abbildung 3. Vereinfachtes Modell für die Entstehung von Spiralarmen: Diese Skizze zeigt, wie sich Spiralarme aus unregelmäßigen Wolken aus interstellarem Material bilden könnten, die durch die unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten in der Galaxie gestreckt werden. Die Regionen, die am weitesten vom galaktischen Zentrum entfernt sind, brauchen länger, um ihre Bahnen zu vollenden, und hinken daher den inneren Regionen hinterher. Wenn dies der einzige Mechanismus für die Entstehung von Spiralarmen wäre, würden sich die Spiralarme mit der Zeit vollständig auflösen und verschwinden. Da viele Galaxien Spiralarme haben, müssen sie langlebig sein, und es müssen andere Prozesse am Werk sein, um sie zu erhalten.
Aber dieses Bild der Spiralarme stellt die Astronomen vor ein unmittelbares Problem. Wenn das alles wäre, hätte die differentielle Rotation in der etwa 13 Milliarden Jahre langen Geschichte der Galaxis die Arme der Galaxis immer enger gewickelt, bis jeder Anschein einer Spiralstruktur verschwunden wäre. Aber hatte die Milchstraße tatsächlich Spiralarme, als sie vor 13 Milliarden Jahren entstand? Und bleiben einmal gebildete Spiralarme so lange erhalten?
Mit der Einführung des Hubble-Weltraumteleskops ist es möglich geworden, die Struktur sehr weit entfernter Galaxien zu beobachten und zu sehen, wie sie kurz nach ihrer Entstehung vor mehr als 13 Milliarden Jahren aussahen. Die Beobachtungen zeigen, dass die Galaxien in ihren Anfängen helle, klumpige Sternentstehungsgebiete hatten, aber keine regelmäßige Spiralstruktur.
Im Laufe der nächsten Milliarden Jahre begannen die Galaxien, sich zu „beruhigen“. Die Galaxien, die zu Spiralgalaxien werden sollten, verloren ihre massiven Klumpen und entwickelten eine zentrale Ausbuchtung. Die Turbulenzen in diesen Galaxien nahmen ab, die Rotation begann die Bewegungen der Sterne und des Gases zu dominieren, und die Sterne begannen sich in einer viel ruhigeren Scheibe zu bilden. Kleinere sternbildende Klumpen begannen, unscharfe, nicht sehr ausgeprägte Spiralarme zu bilden. Helle, gut definierte Spiralarme traten erst auf, als die Galaxien etwa 3,6 Milliarden Jahre alt waren. Ursprünglich waren es zwei gut definierte Arme. Mehrarmige Strukturen in Galaxien, wie wir sie in der Milchstraße sehen, traten erst auf, als das Universum etwa 8 Milliarden Jahre alt war.
Wir werden die Geschichte der Galaxien in „Die Entwicklung und Verbreitung der Galaxien“ ausführlicher behandeln. Aber selbst aus unserer kurzen Erörterung können Sie den Eindruck gewinnen, dass die Spiralstrukturen, die wir jetzt in reifen Galaxien beobachten, erst später in der vollständigen Entwicklungsgeschichte des Universums entstanden sind.
Wissenschaftler haben Supercomputerberechnungen verwendet, um die Entstehung und Entwicklung der Arme zu modellieren. Diese Berechnungen verfolgen die Bewegungen von bis zu 100 Millionen „Sternteilchen“, um herauszufinden, ob die Gravitationskräfte sie zur Bildung von Spiralstrukturen veranlassen können. Diese Berechnungen zeigen, dass riesige Molekülwolken (die wir in Zwischen den Sternen: Gas und Staub im Weltraum besprochen haben) einen ausreichenden Gravitationseinfluss auf ihre Umgebung haben, um die Bildung von Strukturen auszulösen, die wie Spiralarme aussehen. Diese Arme bilden sich dann von selbst weiter und können mindestens mehrere Milliarden Jahre lang überleben. Die Arme können ihre Helligkeit im Laufe der Zeit ändern, da die Sternbildung kommt und geht, aber sie sind keine vorübergehenden Merkmale. Die Materiekonzentration in den Armen übt eine ausreichende Gravitationskraft aus, um die Arme über lange Zeiträume zusammenzuhalten.
Schlüsselkonzepte und Zusammenfassung
Die Gasverteilung in der Scheibe der Galaxis hat zwei Hauptspiralarme, die aus den Enden des zentralen Balkens hervorgehen, sowie mehrere schwächere Arme und kurze Ausläufer; die Sonne befindet sich in einem dieser Ausläufer. Messungen zeigen, dass die Galaxie nicht als fester Körper rotiert, sondern dass ihre Sterne und ihr Gas einer differentiellen Rotation folgen, so dass das Material, das sich näher am galaktischen Zentrum befindet, seine Umlaufbahn schneller vollendet. Beobachtungen zeigen, dass Galaxien wie die Milchstraße nach ihrer Entstehung mehrere Milliarden Jahre brauchen, um eine Spiralstruktur zu entwickeln.
Glossar
differentielle galaktische Rotation:
die Vorstellung, dass sich verschiedene Teile der Galaxie unterschiedlich schnell drehen, da die Teile der Galaxie dem dritten Keplerschen Gesetz folgen: weiter entfernte Objekte brauchen länger, um einen vollen Umlauf um das Zentrum der Galaxie zu vollenden
Spiralarm:
eine spiralförmige Region, die durch relativ dichtes interstellares Material und junge Sterne gekennzeichnet ist und in den Scheiben von Spiralgalaxien beobachtet wird