Es ist an der Zeit, es zuzugeben: Lehrbücher lügen. Wenn sie über unsere Galaxie schreiben, behaupten ihre Autoren oft, dass die Scheibe der Milchstraße flach ist, obwohl sie es in Wirklichkeit nicht ist, nicht einmal nach einer vernünftigen Definition des Begriffs. Zu ihrer Verteidigung sagen die Autoren natürlich, dass sie nicht wirklich lügen, sondern nur das Bild vereinfachen, was in der Wissenschaft durchaus akzeptabel und manchmal sogar vorteilhaft ist.
Wenn man versucht, ein komplexes Konzept zu verstehen oder zu erklären, ist es hilfreich, es so einfach wie möglich zu machen, damit der mathematische und physikalische Hintergrund leichter zu verstehen ist. Das ist so, als würde man davon ausgehen, dass die Erde eine perfekte Kugel ist, oder dass die Sonne die gesamte Masse des Sonnensystems enthält. Sobald wir die grundlegenden Gleichungen zur Beschreibung des vereinfachten Modells aufgestellt haben, können wir die Komplexität schrittweise erhöhen, wobei das Problem überschaubar bleibt.
Und natürlich ist es auch erwähnenswert, dass unsere Galaxie, wenn man sie von einem dunklen Ort aus betrachtet, tatsächlich flach erscheint, wie auch die Scheiben vieler ähnlicher Galaxien. Aber bei näherer Betrachtung sind viele von ihnen, vielleicht sogar die meisten, nicht flach. Sie sind gewellt, gekrümmt und gebogen. Und unsere eigene Galaxie gehört zu dieser "verzerrten" Gruppe .
Mein Hut, mein Hut
Zunächst ein kurzer Überblick: Die Milchstraße ist eine Spiralgalaxie mit einem Durchmesser von etwa 120.000 Lichtjahren, in der sich Sterne, Gas und Staub in einer breiten, scheibenförmigen Formation ausbreiten. Diese Scheibe ist nur ein paar tausend Lichtjahre dick, so dass sie in dieser Hinsicht als wirklich flach angesehen werden kann. In der Mitte befindet sich eine zentrale Ausbuchtung aus Sternen, und das Ganze ist von einem riesigen Halo aus Sternen und dunkler Materie von etwa einer Million Lichtjahren Durchmesser umgeben. Dieses letzte Detail ist für unser Thema besonders wichtig.
Schon seit einiger Zeit wissen die Experten, dass die Scheibe der Milchstraße an den Rändern gekrümmt ist und sich auf der einen Seite nach oben und auf der anderen Seite nach unten wölbt, wie die Krempe eines Hutes. Eine Studie , die 2019 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wird, hat die Erkenntnisse über dieses Phänomen jedoch erheblich erweitert. Die Astronomen, die die Studie verfasst haben, stützten sich auf Daten des Weltraumteleskops Gaia. Gaia war eine kürzlich beendete Mission unter der Leitung der Europäischen Weltraumorganisation, die die Positionen, Bewegungen und Entfernungen von mehr als einer Milliarde Sternen kartierte.
Die Forscher untersuchten anhand der Gaia-Daten rund 2400 veränderliche Cepheid-Sterne. Dabei handelt es sich um eine besondere Art von Sternen, die pulsieren, d. h. ihre Helligkeit verändern. Die Zeit, die es dauert, bis sich die Helligkeit eines Cepheiden ändert, hängt mit der tatsächlichen Helligkeit des Sterns zusammen, d. h. mit der Energiemenge die er aussendet. Vergleicht man die tatsächliche Helligkeit der Cefeiden mit ihrer sichtbaren Helligkeit, lässt sich die Entfernung zum Stern berechnen.
Durch die Kartierung der vielen Cepheiden in der galaktischen Ebene konnten die Experten die allgemeine Form der Milchstraßenscheibe kartieren, und die Verzerrung wurde sehr deutlich.
Unsere Galaxie ist ein bisschen wie eine Schallplatte, die zu lange in der Sonne gelegen hat.
Anomalien
Doch was verursacht diese Verzerrung? Es ist möglich, dass die Schwerkraft einer Kollision mit einer kleineren Galaxie die Sterne in der Scheibe beeinflusst hat, ähnlich wie das Werfen eines Steins Wellen in einem Teich verursacht. Aber ein Team von Astronomen, das seine Forschungsergebnisse 2023 in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht, hat eine ganz andere Idee was den Kern des Randes unserer Galaxie verändert hat: dunkle Materie.
Wie bereits erwähnt, ist unsere Galaxie in einen Halo aus Sternen und dunkler Materie eingebettet. Vor etwa einem Jahr fanden einige Mitglieder desselben Teams zusammen mit anderen Astronomen heraus, dass der Halo der Milchstraße nicht kugelförmig ist, wie bisher angenommen, sondern leicht länglich und abgeflacht, ähnlich wie ein American Football. Außerdem ist er gegenüber der Ebene der Galaxie leicht geneigt.
Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass der diffusere und fast unsichtbare Halo der dunklen Materie die gleiche Form wie der Sternenhalo haben könnte. Durch die Modellierung der Auswirkungen eines viel massiveren Halos aus dunkler Materie, das in Struktur und Ausrichtung tatsächlich ähnlich ist, fanden sie heraus, dass es ein Gravitationsfeld erzeugt, das sich erheblich auf die Scheibe auswirkt und nicht nur die Art und das Ausmaß der Verzerrung, sondern auch ihre Ausrichtung in der Scheibe erklärt. Damit ist die Frage zwar nicht unbedingt geklärt, aber sie konnten ein ziemlich überzeugendes Argument vorlegen.
Dies ist jedoch nicht der einzige Grund, warum die Scheibe unserer Galaxie nicht regelmäßig ist. Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass die Struktur auch wellenförmig ist. Anfang dieses Jahres untersuchte ein anderes Forscherteam, das ebenfalls Daten von Gaia nutzte, 17.000 junge Sterne - die sich normalerweise im Zentrum der Galaxienscheibe bilden - und 3.400 Feuerkristalle in einer Region der Milchstraße mit einem Durchmesser von mehreren zehntausend Lichtjahren.
Sie fanden sowohl in der Hauptscheibe als auch in den gekrümmten äußeren Teilen auf- und abwärts gerichtete Wellen, die eine Struktur ähnlich der inneren Struktur von dickem Karton bilden.
Wellen im Teich
Dies ist vergleichbar mit der Welle, die von Fans bei Sportveranstaltungen erzeugt wird, wenn sie aufstehen und sich wieder hinsetzen, und die Welle wandert durch das Stadion. In diesem Fall bewegen sich die Sterne in der Galaxie relativ zur Ebene der Scheibe auf und ab. Da viele der untersuchten Sterne jung sind, glauben die Forscher, dass sich auch das Gas in der Galaxie - aus dem sich die Sterne bilden - auf und ab bewegt. Was immer es also ist, es ist eine inhärente Eigenschaft der Scheibenstruktur.
Die Ursache der Wellen ist nicht bekannt, aber die wahrscheinlichste Erklärung scheint eine Kollision mit einer kleineren Galaxie zu sein. Ein möglicher, ja wahrscheinlicher Verdächtiger ist die elliptische Zwerggalaxie Sagittarius, ein kleines System mit einer Masse, die nur einen Bruchteil derjenigen der Milchstraße beträgt. Allerdings umkreist sie unsere Galaxie auf einer fast vertikalen Bahn und durchquert die Scheibe. Im Jahr 2018 veröffentlichten Astronomen eine Studie in der Zeitschrift Nature, in der sie - wiederum nur mit Gaia-Daten - wellenartige Bewegungen in sechs Millionen Sternen, etwa 10.000 Lichtjahre von der Sonne entfernt, fanden, die den in der äußeren Scheibe gefundenen Wellen ähneln. Sie haben bereits vorgeschlagen, dass die Sagittarius-Galaxie diese Bewegungen erzeugt haben könnte, als sie vor Hunderten von Millionen Jahren das letzte Mal durch die Scheibe zog.
Darüber hinaus zeigt auch die Sonne diese Bewegung: Sie umkreist nach sorgfältigen Messungen das Zentrum der Galaxie mit vertikaler Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass sich auch das gesamte Sonnensystem auf und ab bewegt.
Von Zeit zu Zeit durchquert sie die Scheibe, erreicht einen bestimmten Abstand von ihr, wird von der Schwerkraft der Scheibe zurückgezogen und der Zyklus beginnt von neuem. Dieses Element der Bewegung unseres Sterns könnte Teil einer größeren Welle sein.
Letztendlich ist die Geschichte von der flachen Scheibe also keine Lüge über die Gesamtstruktur der Galaxie. Wenn wir uns jedoch die Details der Struktur ansehen, stellt sich heraus, dass die Situation viel komplexer ist und dass diese Komplexität uns viel über die Geschichte und Zukunft der Milchstraße verraten kann.
