Unsere Galaxie, die Milchstraße Our Galaxy, the Milky Way

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1 Unsere Galaxie, die Milchstraße Our Galaxy, the Milky Way Gerhard, Ortwin Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching Korrespondierender Autor Zusammenfassung Die Milchstraße ist eine Balkenspiralgalaxie, deren zentraler Teil, der rotierende Bulge, sich großenteils aus der Galaktischen Scheibe gebildet haben muss. Mit neuen Infrarot-Daten war es erstmals möglich, den Balken und Bulge räumlich zu vermessen. Damit lassen sich die Bahnen der Sterne in der inneren Galaxis vorhersagen und mit ihren chemischen Eigenschaften verknüpfen. Mit dynamischen Modellen untersuchen wir die heutige Struktur und die Entwicklungsgeschichte unserer Galaxis. Summary The Milky Way is a barred spiral galaxy whose central part, the rotating bulge, must have mostly formed from the Galactic disk. With new infrared data the spatial structure of the Galactic bar and bulge could be determined for the first time. This makes it possible to predict the orbits of stars in the inner Galaxy and to link these with their chemical properties. With dynamical models we investigate the present-day structure and evolutionary history of our Galaxy. Die Milchstraße als Balkenspiralgalaxie Anders als in entfernten Galaxien lassen sich in der Milchstraße die Bewegungen und physikalischen Eigenschaften vieler einzelner Sterne beobachten und analysieren. Das Ziel solcher Studien ist es, die in den Sternen codierte Entstehungsgeschichte der Milchstraße zu entziffern, wie es in anderen Galaxien nicht möglich ist. Der Ansatz mit astronomisch gesehen lokalen Beobachtungen universelle Prozesse zu erforschen (auch als Nahfeld-Kosmologie bezeichnet) begründet auch die derzeitige Aktualität der Milchstraßenforschung: Neben vielen bodengebundenen Studien erwarten wir in diesem Jahr die ersten Daten vom Gaia-Satelliten der ESA, der die Distanzen und Bewegungen von mehr als einer Milliarde Sterne messen wird Max-Planck-Gesellschaft 1/6

2 A bb. 1: Innere Milchstraße im sichtbaren Licht. Im Zentrum der ausgedehnten Sternscheibe erkennt m an den Galaktischen Bulge. Die dunklen Streifen entstehen durch Wolken von Gas und Staub in der Galaktischen Scheibe, die das Licht der dahinterliegenden Sterne absorbieren. Europäische Südsternwarte (ESO) Galaxien wie unsere Milchstraße bilden sich und wachsen über Zeiträume von Milliarden Jahren. Nach den derzeit besten kosmologischen Modellen werden sie von Agglomerationen Dunkler Materie dominiert, den sogenannten Dunklen Halos. Kaltes Gas fällt soweit nach innen, wie es seine Rotation erlaubt, setzt sich in eine Scheibe und bildet dort Sterne [1]. Von je weiter draußen im Universum Materie einfällt, umso länger dauert der Einfall und umso weiter vom Zentrum findet das Gas sein Gleichgewicht. Deshalb bilden sich Scheibengalaxien zuerst im Zentrum und wachsen dann in ihrer Ausdehnung. In der Milchstraße gehören etwa drei Viertel aller Sterne, wie auch die Sonne, zu einer solchen rotierenden Scheibe, das restliche Viertel zu einer zentralen, dreidimensional ausgewölbten Komponente, dem Bulge, und nur weniger als ein Prozent zu einem quasi-sphärischen Halo [2]. Die Position des Sonnensystems inmitten der Gasscheibe, etwa Lichtjahre vom Zentrum entfernt, erschwert Untersuchungen der großräumigen Struktur. So sind die zentralen Bereiche der Milchstraße in optischen Bildern nur teilweise sichtbar, da sie hinter dichten Wolken aus molekularem Gas und Staub liegen (Abb. 1). Die Staubteilchen absorbieren sichtbares Licht sehr viel stärker als die langwelligere Nahinfrarotstrahlung (Abb. 2), in der alte Sterne den größten Teil ihrer Energie abstrahlen. Die in Abbildung 2 sichtbare Asymmetrie des Bulges zusammen mit den Gasströmungen im Zentrum bildeten anfangs die beste Evidenz für eine Balkenstruktur in der Milchstraße. A bb. 2: Innere Milchstraße im nahinfraroten Licht. Die absorbierenden Streifen sind wesentlich schwächer ausgeprägt als im sichtbaren Licht; der zentrale Bulge ist deutlicher zu erkennen, wie auch seine leicht asym m etrische Form. DIRBE / NASA Jedoch konnte die genaue Struktur des Bulges der Milchstraße erst bestimmt werden, nachdem diese Himmelsregion mit einer Nahinfrarotkamera vollständig und mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit beobachtet worden war [3]. Die neuen Beobachtungen erlauben es, den Galaktischen Bulge in viele Einzelsterne aufzulösen und sie sind so empfindlich, dass man durch die Zentralgebiete hindurch helle Sterne am entfernten Rand der Galaxie vermessen kann. Dies erlaubte eine vorher nicht mögliche, dreidimensionale 2016 Max-Planck-Gesellschaft 2/6

3 Darstellung des Galaktischen Bulges [4]. Durch Kombination dieser Daten mit weiteren Himmelsdurchmusterungen wurde es darüber hinaus möglich, Strukturen in der angrenzenden Sternscheibe zu untersuchen [5]. Für diese Arbeiten wurden aus den Daten die scheinbaren Helligkeiten einer Klasse von Riesensternen bestimmt, deren intrinsische Leuchtkraft annähernd konstant ist, sodass sich ihre Entfernung relativ genau bestimmen lässt. Mit geeigneten Methoden konnten statistische Entfernungsverteilungen von insgesamt ca. 15 Millionen solcher Sterne im gesamten Himmelsbereich zu einem Modell einer dreidimensionalen Sterndichteverteilung zusammengesetzt werden, das in Abbildung 3 illustriert ist. Abb 3: Sterndichteverteilung im Innenbereich der Milchstraße. Das m ittlere Bild zeigt den Balken (grün, gelb) und den zentralen Bulge (rot) in der Aufsicht, wie auch die um gebende Sternscheibe m it der Position der Sonne. Die Spiralarm e sind nicht dargestellt. Längenskalen sind in kpc angegeben (1 kpc = Lichtjahre). Das obere Bild zeigt die Ansicht von der Sonne aus. In dieser Him m elsprojektion verwendet m an Längen- und Breitenwinkel, wobei die Längenwinkel im m ittleren Bild illustriert sind. Die Asym m etrie wird durch die Projektion verursacht. Das untere Bild zeigt die Seitenansicht der Bulge-Balken-Struktur. Nach [2, 5]. Bland-Hawthorn, J. et al., Annual Review of Astronom y and Astrophysics 54 (2016) Die Abbildung zeigt die charakteristische Struktur einer Balkenspiralgalaxie. Im Zentrum des Balkens befindet sich der dreidimensionale Bulge mit erdnussartig anmutender Form in der Seitenansicht. Der Bulge geht kontinuierlich in den Balken über, der in seinen äußeren Bereichen eine stark abgeflachte Scheibenstruktur 2016 Max-Planck-Gesellschaft 3/6

4 aufweist. Das Sonnensystem befindet sich in der Scheibe etwa Lichtjahre vom Ende des Balkens entfernt. Aus Geschwindigkeitsmessungen für einen kleinen Teil der Sterne im Bulge ließ sich dessen Masse bestimmen, zu etwa Mal die Masse der Sonne, wovon etwa 10 20% Dunkle Materie sind [6]. Die Masse der Sterne des abgeflachten Balkens ist etwa Mal die Sonnenmasse [5]; zusammen haben Bulge und Balken fast so viel Masse wie die Galaktische Scheibe. Entwicklungsgeschichte einer Balkenspiralgalaxie Wie bilden sich solche Balken? Wenn die Galaktische Scheibe im Laufe ihrer Entwicklung immer mehr Masse in Form von Sternen und Gas ansammelt, kann sie irgendwann instabil werden, so ähnlich, wie ein Boot instabil wird, wenn sein Schwerpunkt zu weit nach oben wandert. Dann bildet sich aus der rotierenden Scheibe zuerst ein Balken, der nun um eine Achse vertikal zur Scheibe und durch das Zentrum rotiert [7]. Danach bildet sich als Folge einer weiteren Instabilität der zentrale, erdnussartig verformte, dreidimensionale Teil des Balkens, der Bulge. Beide Komponenten entstehen also aus der Sternscheibe. Wie funktioniert ein erdnussartig verformter Bulge? Sterne bewegen sich auf ihren Bahnen im Gravitationsfeld der Galaxie. In einer Scheibe, ähnlich wie im Sonnensystem, bewegen sich Sterne normalerweise angenähert auf Kreisbahnen. Im Gravitationsfeld der Milchstraße gibt es jedoch Sterne, die auf ihren Bahnen dem rotierenden Balken folgen. Diese Sterne bilden das Rückgrat des Balkens und halten ihn stabil [7]. Analog dazu gibt es Sterne, die auf ihren Bahnen dem rotierenden, erdnussartig verformten Bulge folgen und ihn gemeinsam stabil halten. Abbildung 4 zeigt eine solche Bahn [8]. A bb. 4: Von der Seite gesehene Bahn eines typischen Sterns, der dazu beiträgt, den rotierenden, erdnussartig verform ten Bulge in der Milchstraße stabil zu halten. Nach [8]. Portail, M. et al., Monthly Notices of the Royal Astronom ical Society 450, 66 (2015) Früher dachte man, dass der Bulge der Milchstraße eine primordiale Komponente sei, die durch rapide Verschmelzungsprozesse mit intensiver Sternbildung vor der Entstehung der Galaktischen Scheibe in der Frühzeit des Universums entstand [9]. Die nun bestimmte Struktur des Bulges zeigt aber, dass der Bulge zum größten Teil aus der frühen Galaktischen Scheibe entstanden sein muss die für die Analyse verwendeten Sterne sind repräsentativ für den Großteil aller Sterne. Wenn die Milchstraße überhaupt einen primordialen Bulge besitzt, muss dieser eine relativ unbedeutende Komponente sein Max-Planck-Gesellschaft 4/6

5 Bulge und Scheibe bestehen aus Sternen sehr verschiedener chemischer Zusammensetzung. Anfangs bilden sich Sterne in der Galaktischen Scheibe aus Gaswolken, die fast nur aus Wasserstoff und Helium bestehen. Diese Sterne geben gegen Ende ihres Lebens mit schwereren Elementen angereichertes Gas an das interstellare Gas zurück. Aus dem angereicherten interstellaren Gas bilden sich wieder Sterne, die nun einen höheren Anteil schwererer Elemente enthalten, und so fort, bis das Gas aufgebraucht oder so stark aufgeheizt wird, dass es die Scheibe verlässt [10]. In unserer Milchstraße macht das restliche Gas nur noch etwa 10% der Masse der Sterne aus. Immer noch bilden sich Sterne, jedoch die meisten Sterne sind Milliarden Jahre alt: Der Sternbildungsprozess ist schon weit fortgeschritten. Man weiß heute auch, dass Sterne verschiedener chemischer Zusammensetzung sich im Mittel auf unterschiedlichen Bahnen bewegen. Dabei werden die Sternbahnen in den zentralen Regionen stark durch den Galaktischen Balken und Bulge geprägt. Diese chemodynamische Struktur ist ein Spiegel der Bildung und Evolution der Milchstraße. Sie zu vermessen und daraus den Galaxienbildungsprozess zu klären ist das Ziel der modernen Milchstraßenforschung. Ein Ziel, das sie mit dem komplementären Ansatz der Forschung an weit entfernten, jungen Galaxien teilt. Literaturhinweise [1] Mo, H.; van den Bosch, F.; White, S. D. M. Book: Galaxy Formation and Evolution Cambridge University Press, Cambridge UK (2010) [2] Bland-Hawthorn, J.; Gerhard, O. The Galaxy in Context: Structural, Kinematic & Integrated Properties Annual Review of Astronomy and Astrophysics 54, arxiv: , in press (2016). [3] Saito, R. K.; Hempel, M.; Minniti, D.; Lucas, P. W.; Rejkuba, M.; Toledo, I.; Gonzalez, O. A.; Alonso- Garcia, J.; et al. VVV DR1: The first Data Release of the Milky Way Bulge and Southern Plane from the near-infrared ESO Public Survey VISTA Variables in the Vía Láctea Astronomy and Astrophysics 537, A107 (2012) [4] Wegg, C.; Gerhard, O. Mapping the three-dimensional Density of the Galactic Bulge with VVV Red Clump Stars Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 435, (2013) [5] Wegg, C.; Gerhard, O.; Portail, M. The Structure of the Milky Way's Bar outside the Bulge Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 405, 4050 (2015) [6] Portail, M.; Wegg, C.; Gerhard, O.; Martinez-Valpuesta, I. Made-to-measure Models of the Galactic Box/Peanut Bulge: Stellar and Total Mass in the Bulge Region Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 448, (2015) [7] Binney, J.; Tremaine, S. Book: Galactic Dynamics Princeton University Press, Princeton, NJ USA (2008) 2016 Max-Planck-Gesellschaft 5/6

6 [8] Portail, M.; Wegg, C.; Gerhard, O. Peanuts, Brezels and Bananas: Food for Thought on the Orbital Structure of the Galactic Bulge Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 450, L66-L70 (2015) [9] Rich, R. M. The Galactic Bulge Book: Planets, Stars and Stellar Systems Vol. 5, by Oswalt, T. D.; Gilmore, G.; Springer, Science + Business Media,Dordrecht, p. 271 (2013) [10] Pagel, B. E. J. Book: Nucleosynthesis and Chemical Evolution of Galaxies Cambridge University Press, Cambridge UK (2009) 2016 Max-Planck-Gesellschaft 6/6