ZENTRUM DER MILCHSTRASSE

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1 ZENTRUM DER MILCHSTRASSE In Kürze: Anflug auf das Zentrum der Milchstraße aus 3 kpc Distanz (Rand des Bulge) Flug in den zentralen Sternhaufen hinein; realistische Darstellung der Umgebung (Merkmale wie Staubtorus, Mini-Spirale ) Anflug auf das zentrale Schwarze Loch (realistisch modelliert unter Annahme einer schwach ausgeprägten Akkretionsscheibe) und ins Schwarze Loch hinein Bild 1: Aktuelles Modell der Milchstraße (NASA/Caltech) mit eingezeichneter Flugroute

2 Im Zentrum unserer Milchstraße befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch. Schon lange war dort das Radio-Objekt Sagittarius A* bekannt; später wurde nachgewiesen, dass es sich dabei um das 3 Millionen Sonnenmassen schwere zentrale Schwarzes Loch unserer Galaxis handelt. Dem optischen Betrachter ist dies durch interstellaren Staub verborgen; im Infraroten und anderen Spektralbereichen ist eine Beobachtung jedoch möglich, und hat faszinierende Details sichtbar gemacht. Dazu zählen insbesondere die Sterne des zentralen, sehr massereichen Sternenhaufens, von denen einige das Schwarze Loch so eng umkreisen, dass ihre Orbits genau verfolgt werden konnten. Die sich daraus ergebende Dichte der Massenverteilung innerhalb der Sternen-Orbits zeigte, dass ein zentrales Objekt mit dieser Massendichte nur ein Schwarzes Loch sein kann. Die Animation Da der optische Blick auf das galaktische Zentrum durch interstellaren Staub versperrt ist, beginnt die Animation mit einem schwarzen Bild ( in den Staubwolken ) und dem Verlassen des Staubs in Richtung auf das Zentrum. Es könnte sich anbieten, vor Beginn dieser Animation einen Flug in Richtung des Sternbilds Schütze zu zeigen, auf die dort gelegenen Staubwolken zu. Eine solche Darstellung ist mit vielen aktuellen Echtzeit-Systemen gut möglich (z.b. Digital Sky [Sky-Skan] oder Uniview [SCISS], u.a. ein entsprechendes Digital-Sky-Skript steht zum Download auf diesen Webseiten bereit). Wird das Echtzeit-Bild dann auf schwarz abgeblendet und zeitgleich die Animation gestartet, so lässt sich eine nahtlos wirkende Fortsetzung des Echtzeit-Flugs erreichen: Die Staubwolken werden verlassen und es folgt der Weiterflug auf das Zentrum zu. Der Staub um das galaktische Zentrum bildet einen optisch undurchsichtigen Ring in etwa 3-4 kpc Entfernung zum Zentrum. Innerhalb dieses Rings liegt der Bulge der Galaxis; diese Region ist im Wesentlichen Staub-frei. In dieser Region finden sich hauptsächlich alte Sterne mit meist niedriger Leuchtkraft. Erst sehr nah am Zentrum, in einem Umkreis von ca. 300 pc, finden sich wieder größere Staubmassen und viele junge, helle Sterne. Dieser 300-pc-Bereich beinhaltet große HII-Regionen und Sternhaufen. Auf diesen zentralen Bereich der Galaxis zu führt der sehr schnelle Flug, mit mehreren 100 Lichtjahren/s. Er zielt genau auf den zentralen Sternhaufen, in dessen Mitte das Schwarze Loch steht. Dieser Sternhaufen ist umgeben von einem ca. 15 pc großen Staub-Torus, der von innen durch die Haufensterne beleuchtet ist. Bei Erreichen des Sternhaufens verzögert die Bewegung und führt weiter Richtung Haufenzentrum, nun nur noch einige Lichtwochen/s schnell. Das Schwarze Loch bleibt unsichtbar; erkennbar sind außer Haufensternen und der Umgebung im Hintergrund (Staubtorus, entfernte Hintergrundobjekte) nur dünne Gas-Strukturen, die sich vom Torus aus filamentartig in den Haufen hinein erstrecken. Beim weiteren Flug ins Haufenzentrum werden die Orbits einiger Sterne um das weiterhin nicht sichtbare Schwarze Loch kurz eingeblendet. Erst bei Annäherung an das Schwarze Loch auf weniger als 1 Lichttag wird es überhaupt sichtbar. Der Anflug verlangsamt sich weiter; aus einigen Lichtstunden Distanz zeigen sich schließlich die

3 Akkretionsscheibe und der Ereignishorizont wird als dunkle Silhouette in der Scheibenmitte erkennbar. Nach einer langsamen, teilweisen Umkreisung des Schwarzen Lochs endet der Flug schließlich mit einem schnellen Sturz ins Schwarze Loch hinein. Bild 2: Mosaik des 250-Lj-Zentralbereichs der Milchstraße (Weltraumteleskope Hubble und Spitzer) Datenquellen und Grundlagen der Darstellung Als Datenquelle diente vor allem das umfassende Übersichts-Paper von Duschl et al. (1996, AAR 7, 289), das auch heute noch den Kenntnisstand des Inventars der Objekte im Zentrum der Milchstraße gut zusammenfasst. Es handelt sich unter anderem um folgende Elemente: Anflug auf das Zentrum: Die Bewegung vorbeiziehender Sterne wurde realistisch der zurückzulegenden Entfernung (3 kpc) angepasst. Darstellung des 300-pc-Zentralbereichs: Ein großer Teil dieser Region von ca. 250 Lj um das Zentrum ist in einem hochaufgelösten Foto-Mosaik der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer im nahen bzw. fernen Infraroten kartographiert worden (Bild 2). Dieses Mosaik wurde als Grundlage der Darstellung dieses Bereichs herangezogen. Es wurde stark bearbeitet, sodass das IR-Falschfarbenbild den Anblick, der sich im optischen Ergeben könnte, wiedergibt. Zu beachten ist jedoch, dass der wahre optische Eindruck wohl ein ganz anderer wäre, vor allem aufgrund der sehr hohen Sterndichte, insbesondere auch der hohen Dichte supermassiver, außerordentlich leuchtkräftiger Sterne. Diese hohe Sterndichte lässt sich bildlich kaum korrekt wiedergeben; daher wurde zwar eine hohe Sterndichte dargestellt, aber keine so hohe wie es eigentlich korrekt gewesen wäre. Der zentrale Sternenhaufen wurde in Größe und Lage realistisch dem Hubble/Spitzer-Bild angepasst; ebenso der ca. 15 pc große Staub-Torus, der

4 den zentralen Haufen umgibt (Bild 3). Im zentralen Parsec, also im inneren Bereich des zentralen Haufens, stehen ca. 25 LBV-Sterne, 500 weitere Überriesen, und eine entsprechend noch höhere Zahl an Riesen- und Hauptreihen-Sternen. Die Gesamtzahl der für einen menschlichen Beobachter mit bloßen Augen sichtbaren Sterne geht hier in die zehntausende. Die Riesensterne würden von einem durchschnittlichen Punkt innerhalb des Haufens aus betrachtet allesamt etwa mondhell erscheinen. Die Darstellung hunderter mondheller Objekte übersteigt natürlich das im Planetarium machbare; es wurde also nur versucht darzustellen, dass es sich um sehr helle Sterne in sehr großer Zahl handelt. Bild 3: Anflug auf den zentralen Sternhaufen (Animationsframe)

5 Die Staub- und Gasstrukturen innerhalb des zentralen Haufens, die sogenannte Minispirale (Bild 4), wurde in ihrer genaue Form und Lage im Raum anhand der Daten von Vollmer & Duschl (2000, New Astronomy 4, 581) nachgebildet. Dazu wurden die 3d-Daten der Gas-Verteilung von Vollmer & Duschl in unser 3d-Modell der Objekte im galaktischen Zentrum integriert. Im Lichte der hellen Superriesen wird dieses dünne Gas zwar für einen notgedrungen geblendeten menschlichen Beobachter unsichtbar bleiben; wir haben uns aber dennoch für eine Darstellung entschieden, da wir das Strahlungsfeld wie oben erwähnt ohnehin nicht realistisch nachbilden können, sondern es in einer Art HDR-Darstellung zeigen. In dieser Darstellung werden dann natürlich auch Strukturen sichtbar, die das geblendete menschliche Auge eigentlich nicht mehr ausmachen würde. Bild 4: Die Minispirale (aus Vollmer & Duschl 2000). Links die Ansicht von der Erde aus (Infrarot- und Radio-Daten); rechts die ermittelte 3d-Struktur, wie sie auch in unsere Animation eingegangen ist (Ansicht gegenüber dem Erd-Anblick um 90 gedreht). Der Anflug an das Schwarze Loch, und seine Größe im Vergleich zu den Entfernungen der umgebenden Sterne, ist realistisch den realen Größen angepasst. Diese realen Größen sind die Orbitalparameter der innersten Sterne (einige Lichttage groß) und andererseits die aus unterschiedlichen Messungen resultierende Maximalgröße der Akkretionsscheibe. Für diese Größe gibt es bisher nur Obergrenzen, da die Scheibe selbst noch nicht beobachtet werden konnte. Tatsächlich ist es nicht sicher, dass überhaupt eine Scheibe existiert. Prof. Duschl (Univ. Kiel) zu Folge, der die Erstellung dieser Animation beratend unterstützte, ist eine schwach ausgeprägte Akkretionsscheibe jedoch eine plausible Annahme. Die Darstellung der Scheibe beruht auf Simulationen der Struktur der Scheibe und des verzerrten Erscheinungsbilds durch Gravitationslinsen-Effekte, u.a. von Armitage & Reynolds (2003, MNRAS 341, 1041; Bild 5). Die äußeren Bereiche der Scheibe sind kühler als die inneren, sodass sich ein Farbverlauf von bläulich-weiß im Inneren bis zu rot am Rand ergibt. Auch

6 nimmt die Dichte nach außen ab und die Transparenz zu, sodass der Rand in einem zunehmend durchsichtigen, dunklen Rot-Ton ausläuft (Bild 5). Der auffälligste Gravitationslinsen-Effekt ist die scheinbare Verbiegung der Scheibe bei seitlichem oder schrägem Blickwinkel: Der hinter dem Schwarzen Loch liegende Bereich wird optisch angehoben und scheint über dem Schwarzen Loch entlang zu laufen, statt dahinter. Bild 5: Anflug auf das Schwarze Loch mit Akkretionsscheibe (Animationsframe); Inset: Simulation von Armitage & Reynolds 2003.