Sonnensystem : Die Milchstraße ist ein kosmisches Karussell

Alle 200 Millionen Jahre dreht sich die Milchstraße einmal im Kreis. Im Zentrum unserer Heimatgalaxie sitzt ein "Massemonster" - ein Schwarzes Loch. Ein Porträt.

Otto Wöhrbach
Leben am Wegesrand. Die Sonne als Heimatstern unseres Planetensystems durchfliegt den Orion-Nebenarm der Milchstraße. Im Zentrum der Galaxis befindet sich ein etwa 15000 Lichtjahre langer Balken, der mit Sternen, Staub und Gas gefüllt ist. Von den Enden des Balkens winden sich mehrere längere Spiralarme in die Weiten des Alls.
Leben am Wegesrand. Die Sonne als Heimatstern unseres Planetensystems durchfliegt den Orion-Nebenarm der Milchstraße. Im Zentrum...Grafik: Nasa/Adler/U. Chicago/Wesleyan/JPL-Caltech/Tsp/Schmidt

Seit drei Jahren fliegt die europäische Raumsonde „Gaia“ um die Erde. Sie soll die Positionen und Bewegungen von rund einer Milliarde Sternen der Milchstraße vermessen. Es gibt bereits erste Ergebnisse, sie helfen den Astronomen, unsere Heimatgalaxie noch besser kennenzulernen. Die Faszination des hellen Himmelsbandes ist Jahrtausende alt. Der Name gibt die mythologische Erklärung der alten Griechen für diese Himmelserscheinung weiter: Sie sei die Milch der Göttin Hera, herausgespritzt und im hohen Bogen über den Himmel verströmt, als sie den Knaben Herakles voller Zorn von ihrer Brust riss. Der hatte dort nichts zu suchen, schließlich war er bei einem der vielen Seitensprünge ihres Göttergatten Zeus gezeugt worden.

Erst Mitte des 18. Jahrhunderts kam der englische Wissenschaftler Thomas Wright auf die Idee, dass die Milchstraße nichts anderes ist als die Innenansicht unserer kosmischen Heimat. Wir leben in einer gigantischen Wolke aus Sternen. Ein Name für die Sternwolke war schnell gefunden: Galaxis nach dem griechischen „Gala“ für Milch.

Ihre Gestalt aber blieb lange Zeit ein Rätsel. Kein Wunder, denn genauso wenig wie ein Wanderer in einem Wald erkennen kann, wie der Wald von außen gesehen aussieht, genauso wenig können wir die Gestalt der Galaxis erkennen. Da wir in ihr leben, sehen wir sozusagen den Sternenwald vor lauter Sternen nicht. Erschwerend hinzu kommt noch, dass dieser Sternenwald ständig nebelverhangen ist. Zwischen den Sternen treiben Staub- und Gasnebel dahin, die den Blick in die Tiefen der Galaxis verwehren.

Schätzungsweise 300 Milliarden Sterne leuchten in der Milchstraße

Trotz aller Sichtbehinderungen durch Nebel mit Sichtweiten unter 10.000 Lichtjahren können wir uns schon lange gut vorstellen, wie sich die Galaxis einem Beobachter präsentieren würde, der sie aus größerer Entfernung von außen betrachten könnte. Ähnlich wie das Lichtwölkchen, das wir gerade noch mit bloßem Auge im Sternbild Andromeda erkennen können. Mit dem damals größten Fernrohr der Welt erkannte der US-Astronom Edwin Hubble vor rund 100 Jahren, dass dieser „Andromeda-Nebel“ in Wahrheit aus einigen hundert Milliarden Sternen besteht, die aus einer Entfernung von mehr als zwei Millionen Lichtjahren zu uns herüberleuchten. Aus unserer eigenen Heimatsternwolke heraus blickte Hubble offenbar über eine riesige Entfernung hinweg auf eine andere ähnliche Sternwolke.

Die Gestalt dieser fernen Sternwolke führt uns vor Augen, wie unsere eigene Heimatgalaxis aussieht. Sie gleicht einer gigantischen flachen Diskusscheibe mit einem Durchmesser von mindestens 100.000 Lichtjahren. Schätzungen zufolge leuchten in ihr bis zu 300 Milliarden Sterne. Auch in der schwärzesten Nacht aber sehen wir davon mit bloßem Auge lediglich einige tausend Einzelsterne, die Nachbarsterne der Sonne. Schon vor einigen tausend Jahren formten Gelehrte in Babylonien, Ägypten und Griechenland aus diesen Sternen Sternbilder, die wir auch heute noch kennen. Das Sternbild „Schütze“, „Perseus“ und „Fuhrmann“ zum Beispiel.

Im Laufe der Zeit wird das vertraute Sternbildergemälde jedoch allmählich zerfließen. Denn alle Sterne der Galaxis sind in Bewegung. Zusammen mit den galaktischen Gas- und Staubwolken driften sie in einer gemeinsamen Strömung um das Zentrum der Galaxis herum. Die Sonne mit ihren acht Planeten zieht ihre Bahn etwa auf halbem Weg zwischen dem Zentrum der Galaxis und ihrem Rand. Dabei trägt uns die Erde mit einer Geschwindigkeit von mehr als 200 Kilometern pro Sekunde durch die Weiten der Galaxis. Trotz dieser rasenden Geschwindigkeit dauert eine volle Runde mehr als 200 Millionen Jahre.

In der Seitengasse: Unser Sonnensystem durchfliegt einen Nebenarm

Ein Beobachter, der unsere Galaxis von außen betrachten könnte, würde deutlich einige helle gebogene Streifen in ihr sehen. Diese Spiralarme enthalten überdurchschnittlich viel Materie, vor allem Wasserstoffgas. In diesen Gaswolken entstehen ständig neue Sterne in den verschiedensten Größen. Je größer ein Stern ist, desto heißer ist er auch und desto heller leuchtet er. Wegen ihrer Energieverschwendung werden große helle Sterne deshalb nur wenige Millionen Jahre alt. In dieser nach kosmischen Maßstäben kurzen Zeit können sie sich nicht sehr weit von ihrem Geburtsort entfernen. Zeit ihres strahlenden Lebens bleiben deshalb die großen, heißen, hellen Sterne in dem Spiralarm, in dem sie entstanden sind. Die Spiralarme sind also sozusagen die von heißen Sternen hell beleuchteten Alleen in der Galaxis. Die dunkleren aber langlebigen kleineren Sterne dagegen haben sich längst gleichmäßig in der gesamten Galaxis verteilt.

Sterne strahlen außer sichtbarem Licht auch Infrarotlicht ab. Da Infrarotlicht die galaktischen Gas- und Staubwolken durchdringen kann, können Astronomen mithilfe von Infrarotdetektoren auch noch in großen Entfernungen Sterne ausmachen. So haben sie während der vergangenen Jahre Stern um Stern auch in weit von uns entfernten weißen Flecken auf der Karte der Galaxis eintragen können. Nach heutigem Wissen sieht so der Atlas unserer himmlischen Heimat aus: Quer durch ihre Mitte erstreckt sich ein rund 15 000 Lichtjahre langer, dicht mit Sternen, Gas und Staub gefüllter Balken, der im Zentrum zusätzlich etwas aufgewölbt ist. Von den Enden dieses Balkens aus winden sich vier längere Spiralarme durch die Galaxis. Unser Sonnensystem durchfliegt zur Zeit einen kürzeren Nebenarm zwischen zwei längeren Spiralarmen. Die Astronomen nennen ihn „Orion-Arm“ nach dem gleichnamigen Sternbild.

Im Zentrum wird gewirbelt: Sterne sind hier bis zu 5.000 km/s schnell

Wie allerdings die Balken-Spiralstruktur der Galaxis entstand, darüber sind sich die Astronomen noch uneins. Auf jeden Fall aber hat die Gravitation ihre Hände im Spiel. Denn diese anziehende Kraft zwischen jeglicher Materie bestimmt alle Bewegungen der Sterne und der Gas- und Staubwolken. Besonders deutlich zeigt sich die Wirkung der Gravitation in der Zentralregion der Galaxis. Dort fliegen die Sterne mit überraschend hohen Geschwindigkeiten herum. Der schnellste unter ihnen rast mit einem Tempo von bis zu 5000 Kilometern pro Sekunde in jeweils nur 15 Jahren um die Mitte der Galaxis.

Als die Astronomen nachrechneten, wie groß die Kräfte sein müssen, die die zentrumsnahen Sterne trotz ihrer hohen Geschwindigkeiten auf ihre engen Kurvenbahnen zwingen können, wurde ihnen bald klar: In der Mitte der Galaxis sitzt ein Massemonster mit einer millionenfach größeren Masse als die Sonne. Und diese Masse ist auf engstem Raum zusammengepackt – ein Schwarzes Loch.

Aber auch in den äußeren Regionen der Galaxis fliegen die Sterne schneller als erwartet. Auch hier müssen starke Gravitationskräfte am Werk sein, um die schnellen Sterne auch in den Randzonen auf ihren Bahnen zu halten. Die Anziehungskräfte der gesamten sichtbaren Materie – Sterne, Gaswolken, Staubnebel – sind dafür viel zu schwach. Die Lösung für dieses Rätsel: Die Räume der Galaxis müssen von einer weiteren, bislang völlig rätselhaften Form von Materie gefüllt sein. Und zwar in viel größeren Mengen als die uns bekannte „normale“ Materie.

Die Astronomen nennen den unbekannten Stoff „Dunkle Materie“. Man sieht sie nicht, aber die Auswirkungen ihrer Anziehungskraft. Und genau diese Auswirkungen, nämlich die Bewegungen von bis zu einer Milliarde Sterne durch die Galaxis möglichst genau zu vermessen, ist eine der Hauptaufgaben der Raumsonde Gaia. Vor Kurzem hat sie die genauen Bahndaten für die ersten zwei Millionen Sterne geliefert, erwartet werden noch viel mehr. Vielleicht helfen diese, die Geheimnisse der Dunklen Materie aufklären zu können.

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