2007_2_Milchstraße

Zum Aussehen unserer Milchstraße und der Entwicklung von Spiralarmen in Galaxien gibt es überraschende neue Ansichten und Erkenntnisse.

Spiralgalaxien ähneln gigantischen Wirbeln und ihre ästhetische Eleganz ist ein wunderbarer Anblick (z.B. die Andromeda-Galaxie auf der Startseite). Ihre Spiralarme setzen nahe dem zentralen Ring an und in ihnen reihen sich die Sterne wie Perlen an einer Schnur aneinander. Dunkle Wolken entlang der Lichterketten zeigen die Anwesenheit interstellarer Materie und sind Geburtsorte neuer Sterne. Die Spiralsysteme liegen wie Schmuckstücke auf dem samtschwarzen Tuch des Alls und gehören zu den Schönsten,  was die Astronomie zu bieten hat.

Lange Zeit galt auch die Milchstraße als Spiralgalaxie, auch wenn bereits 1975 die ersten indirekten Hinweise auf eine andere Struktur gefunden wurden. Heute ist sicher, dass die Spiralarme der Milchstraße an einer balkenförmigen Struktur beginnen und sie dadurch zu den Balkenspiralen gehört.

Alle Spiralgalaxien rotieren, doch die Sterne umkreisen das Zentrum nicht in starren Bahnen. In der Milchstraße haben in den vergangenen 5 Milliarden Jahren die innersten Sterne viele tausend Male den Kern umkreist, die Sonne (etwa in der Mitte zwischen Kern und Scheibenrand) nur rund zwanzig Mal.

Die Sonne benötigt rund 230 Millionen Jahre für einen elliptischen Umlauf und ihre Bahn verschiebt sich um 105 Grad, das entspricht einer vollen Drehung alle 790 Millionen Jahre.

Nach heutiger Kenntnis entstehen Balken und Spiralarme durch Dichtewellen. Die Galaxie entsteht als strukturlose Scheibe in einer kugelförmigen Ansammlung von Sternen, Gas, Staub und Dunkler Materie.

Die Umlaufbahnen sind zufällig orientiert, die Geschwindigkeiten völlig verschieden, es gibt keine Wellenbewegung.

Wenn sich viele Ellipsen gleichschnell drehen und sich die Ausrichtung der Umlaufbahnen angleicht, dann entsteht eine Dichtewelle. Der Grund für die Angleichung der Ellipsenbahnen ist die spontane Gravitationsinstabilität, eine Rückkopplung der Sterne, da sie die Schwerkraft in Galaxien hervorrufen. Die Dichtewellen verstärken sich selbst, da sie immer mehr Ellipsen synchronisieren und die Dichte in bestimmten Regionen erhöhen. Das ist möglich, weil es in Galaxien keinen dominierenden Zentralkörper gibt. Die Sternenbahnen in einer Galaxie sind anders als die Planetenbahnen um die Sonne. Ein Stern kehrt hier nicht an seinen Ausgangspunkt zurück, da seine Bahn keine Kepler-Ellipse sondern eine Rosette ist, deren Lage sich zusätzlich verschiebt. Ein  Schwarzes Loch im Galaxienzentrum hat nur einen vergleichsweise kleinen Teil der Galaxienmasse, diese ist vielmehr über das gesamte Sternsystem verteilt. Spiralarme sind stets Bereiche höherer Dichte.

Die Wellen entstehen durch den Verbund aller Sternumlaufbahnen. Beim Durchqueren einer Region verursacht die Wellenfront eine Annäherung, beim Verlassen ein Entfernen der Sterne nur durch die sanfte Beeinflussung ihrer Umlaufbahnen. Zugleich versetzen sie interstellare Wolken in Rotation und tragen zur Umverteilung des interstellaren Gases bei.

Bei Balkenwellen sind die Ellipsen gleich ausgerichtet und entlang der Hauptachse entsteht eine Region erhöhter Dichte.

Bei Spiralwellen sind die Umlaufbahnen von innen nach außen zunehmend gegeneinander verdreht, sodass die Region erhöhter Dichte entlang einer gekrümmten Linie verläuft.

Bei Balkenspiralen haben die Ellipsen nahe dem Galaxienzentrum die gleiche Ausrichtung, aber weiter außen sind sie gegeneinander verdreht und die Region erhöhter Dichte ist ein Balken von dem gekrümmte Linien abgehen.

Die Welle ist also eine Art Resonanz einer Vielzahl von Umlaufbahnen vieler Sterne um das Galaxienzentrum. Folglich ist die Winkelgeschwindigkeit der Welle überall in der Galaxie gleich, die Geschwindigkeit der Sterne fällt nach außen ab. Im inneren Bereich sind die Sterne schneller als die Welle, sie holen sie ein und bewegen sich durch sie hindurch. Am Korotationskreis stimmen beide Geschwindigkeiten überein. Im äußeren Bereich ist die Welle schneller, trifft auf die Sterne und rollt über sie hinweg.

Die Umlaufbahnen der Sterne drehen sich auch und dort wo die Umlauffrequenz mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle übereinstimmt, befindet sich die innere und äußere Lindblad-Resonanz. Aus dem Abstand der beiden Resonanzen ergibt sich die Länge der Spiralarme.

Die Balken entstehen und vergehen, solange sie bestehen kann Gas nicht in die Zentralregion der Galaxien gelangen. Nach seinem Zerfall strömt Gas nach innen und regt die Sternentstehung an. Bei einer galaktischen Verschmelzung wird auch Masse umverteilt, aber sie ist destruktiv, da die Scheibe zerstört wird und eine elliptische Galaxie zurückbleibt.

Durch die Scheibe laufende Wellen verteilen die Materie in Zeiträumen von Jahrmillionen um. Galaxien durchlaufen eine permanente Metamorphose und unsere Beobachtung ist zwar nur eine zeitliche Momentaufnahme vergänglicher Strukturen, aber gleichwohl von majestätischer Schönheit.