Die Vermessung der Milchstraße

Karte des nördlichen Sternenhimmels angefertigt mit Daten des Sloan Digital Sky Surveys: Palomar 5 ist der hellste der bisher entdeckten Ströme und diente nun als Waage für die Milchstraße. Quelle: Grafik: Ana Bonaca/Yale University mit Daten des Sloan Digital Sky Survey (idw)

Die meisten Menschen kennen ihr Körpergewicht exakt bis aufs Kilo und selbst das Gewicht des Kölner Doms kann man auf wenige Prozent genau bestimmen. Wenn es jedoch um die Masse der Milchstraße geht, versagten bisher alle Messmethoden. Abschätzungen des Gewichts unserer Heimatgalaxie schwankten um 400 Prozent. Jetzt hat ein internationales Forscherteam unter Mitarbeit von Wissenschaftlern der Universität Bonn eine Methode entwickelt, die einer Präzisionswaage für unsere Galaxie gleicht. Die Ergebnisse erschienen jetzt im amerikanischen Fachmagazin „The Astrophysical Journal“.

Die Milchstraße besteht aus geschätzten 100 Milliarden Sternen, die sich zum größten Teil - wie die Sonne - in der galaktischen Sternenscheibe befinden. Da wir uns mitten in dieser Scheibe befinden, sehen wir unsere Galaxie als Band am Himmel. Diese einzigartige Perspektive erlaubt es Wissenschaftlern, die Milchstraße von Innen zu erforschen. Doch die fehlende Vogelperspektive auf unsere Galaxie macht es andererseits schwer, die Größe der Galaxie zu erfassen oder gar ihr Gewicht zu bestimmen.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Federführung des deutschen Astronomen Dr. Andreas Küpper von der Columbia University in New York (USA) entwickelte nun eine Methode, mit der die Milchstraße mit einer unerreichten Präzision vermessen werden kann. In einer Studie machten sich die Forscher Sternströme von Kugelsternhaufen zunutze, um die Milchstraße zu wiegen und die Position der Erde innerhalb der Galaxie neu zu bestimmen.

Sternenströme sind wie ein Kondensstreifen am Himmel

„Kugelsternhaufen sind Gruppen von Tausenden bis zu Millionen von Sternen, die gemeinsam entstanden sind, als das Universum noch sehr jung war. Sie umkreisen unsere Galaxie seit vielen Milliarden Jahren und lösen sich langsam auf. Dabei hinterlassen sie eine Spur am Himmel“, erklärt Dr. Küpper, Erstautor der Studie. Diese Sternenströme seien relativ leicht am Sternenhimmel zu erkennen, weil sie eine höhere Dichte als ihre Umgebung haben und ähnlich wie ein Kondensstreifen am Wolkenhimmel deutlich herausstechen.

Die Wissenschaftler verwendeten Daten des Sloan Digital Sky Surveys, der zehn Jahre lang den Nordhimmel kartographiert hat. „Ähnlich wie vor 200 Jahren Friedrich Wilhelm Argelander die Astronomie mit seiner ‚Bonner Durchmusterung’ revolutioniert hat, eröffnen uns moderne Surveys völlig neue Möglichkeiten, unser Universum zu verstehen“, kommentiert Pavel Kroupa, Koautor und Professor am Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Der Palomar-5-Sternstrom, den die Forscher verwendeten, um die Präzision ihrer Methode unter Beweis zu stellen, wurde bereits vor zehn Jahren zu Beginn des Surveys entdeckt. Mit den neuesten Daten des Surveys konnte der Strom nun so genau vermessen werden, dass die Forscher regelmäßige Dichteschwankungen entlang des Stroms entdecken konnten. Diese wurden 2010 von Küpper mithilfe von numerischen Simulationen vorhergesagt, als dieser seine Promotion mit Doktorvater Prof. Kroupa an der Uni Bonn anfertigte.

Dr. Küpper, der nun an der Columbia University in New York als Hubble Fellow forscht, erzeugte mehrere Millionen Modelle des Palomar-5-Stroms mithilfe eines Supercomputers. Die unterschiedlichen Modelle verglichen die Forscher mit den Beobachtungen am Himmel und stellten fest, dass nur in einem sehr realistischen Modell der Milchstraße das computergenerierte Dichtemuster dem beobachteten Muster ähnlich sah. Um jedoch aus den Millionen von Modellen die wahrscheinlichsten herauszufiltern, mussten sie auf statistische Methoden zurückgreifen, die auch in der Genetik Anwendung finden und von Suchmaschinen wie Google dazu verwendet werden, um Suchergebnisse zu sortieren.

Präzision bis auf 20 Prozent genau

Mit ihrer neuen Waage erreichten die Forscher eine Präzision von bisher unerreichten 20 Prozent und bestimmten damit das Gewicht der Milchstraße in Sternen und Gas innerhalb eines Radius von 60.000 Lichtjahren. Mit 210 Milliarden Mal dem Gewicht der Sonne attestieren die Wissenschaftler der Milchstraße ein „gesundes Gewicht“. „Die Milchstraße ist weder übermäßig schwer noch besorgniserregend leicht“, resümiert Prof. Kroupa. Ein anderes Gewicht stünde im Widerspruch zu anderen unabhängigen Messungen. Jedoch werde sich in Zukunft zeigen, wenn weitere Sternenströme vermessen werden und somit erst ein Gesamtbild der Milchstraße entsteht, ob die Galaxie tatsächlich kerngesund ist oder nicht. „Zum ersten Mal werden wir somit auch die Frage beantworten können, ob unsere Galaxie wirklich von dunkler Materie umgeben ist oder ob nicht gar unser Verständnis der Gravitation überholt ist“, sagt Prof. Kroupa.

Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn (idw)