Tanz der Sterne: Die Arme der Milchstraße

Spiralarchitektur unserer Galaxie

Eine Balkenspiralgalaxie

Unsere Galaxie, die Milchstraße, ist eine Balkenspiralgalaxie, das heißt, sie besteht aus einem zentralen Bulge aus Sternen, einem Balken aus Sternen, der diesen Bulge durchquert, und einer flachen Scheibe, die das Ganze umgibt.

Die Scheibe und die galaktischen Arme

In dieser Scheibe befinden sich die galaktischen Arme, jene leuchtenden Spiralstrukturen, die wir in anderen Galaxien beobachten. Diese Arme sind keine starren Strukturen, sondern Zonen höherer Dichte, in denen sich Sterne, Gas und Staub ansammeln. Unser Sonnensystem befindet sich in einem dieser Arme, dem Orionarm (oder lokalen Arm), zwischen dem Perseusarm und dem Sagittariusarm.

Einführung: Das Rätsel der Spiralarme der Galaxien

Dichtere Bänder

Die Spiralarme unserer Galaxie sind wie dichtere Bänder, in denen es mehr Sterne, Gas und Staub gibt. Physikalisch bedeutet dies, dass die Materie nicht gleichmäßig verteilt ist, sondern konzentrierte Regionen bildet, die um das galaktische Zentrum rotieren.

Ihre Entstehung verstehen

Um zu verstehen, wie diese Arme entstehen und sich entwickeln, muss man untersuchen, wie die galaktische Scheibe, die sich um sich selbst dreht, stabil bleibt oder nicht, wie Dichtewellen entstehen können und wie Gas und Sterne in diesen Zonen geboren werden und interagieren.

Morphologie und Kartierung: Was wir beobachten

Die Beobachtungstracer

Um die Arme zu verfolgen, verwenden Astronomen mehrere „Indikatoren“: das atomare Gas, das durch eine Radiowelle namens 21 cm nachgewiesen wird, das molekulare Gas (hauptsächlich CO), die Regionen, in denen Sterne geboren werden (\(\text{ionisiertes H II}\)-Regionen), und die Gruppen junger Sterne. Der genaueste Tracer bleibt der Maser, der mit massereichen Sternentstehungsregionen verbunden ist: Seine trigonometrische Parallaxe, gemessen durch Radiointerferometrie mit sehr langer Basislinie (VLBI), liefert eine direkte Entfernung, unabhängig von der Staubextinktion, die optische Beobachtungen behindert.

Die Spiralen kartieren

Durch die Kombination präziser Messungen von Geschwindigkeit, Entfernung und Position (zum Beispiel mit dem Gaia-Satelliten oder den Masern des großen internationalen BeSSeL-Surveys) kann die Form der Arme kartiert werden. Diese ähneln oft logarithmischen Spiralen, also Kurven, die sich regelmäßig um das Zentrum winden und durch einen Öffnungswinkel namens „Pitch-Winkel“ definiert sind, der für die meisten Arme der Milchstraße in der Größenordnung von 10 bis 15° liegt.

Dynamischer Rahmen der galaktischen Scheibe

Die Rotation der Scheibe

Die galaktische Scheibe wird als ein rotierendes Fluid unter ihrer eigenen Schwerkraft modelliert. Die Geschwindigkeit, mit der Sterne und Gas rotieren, hängt von der Gravitationskraft ab, die sie zum Zentrum zieht. Diese Kreisgeschwindigkeit \(v_c(R)\) steht im Zusammenhang mit der Steigung des Gravitationspotentials. Nach den bisher genauesten Messungen, die auf Maser-Parallaxen basieren, befindet sich die Sonne etwa 8,15 kpc (≈ 26 600 Lichtjahre) vom galaktischen Zentrum entfernt und umkreist es mit einer Kreisgeschwindigkeit von etwa 236 km/s, bzw. fast 247 km/s unter Berücksichtigung ihrer Eigenbewegung relativ zum lokalen Bezugssystem.

Das Toomre-Stabilitätskriterium

Um festzustellen, ob die Scheibe stabil ist oder lokal kollabieren wird (wodurch Arme oder Cluster entstehen), verwendet man ein Kriterium namens Toomre-Parameter \(Q\). Er hängt von der Materiedichte, der Schallgeschwindigkeit im Gas (die Druck oder Turbulenz widerspiegelt) und der Orbitaldynamik ab. Wenn \(Q\) kleiner als 1 ist, wird die Scheibe instabil und kann Strukturen wie Arme bilden.

Theorien zur Entstehung und Dynamik der galaktischen Arme

Die Existenz der Spiralarme hat Astronomen lange beschäftigt. Zwei Haupttheorien versuchen, ihre Entstehung und ihre Beständigkeit zu erklären.

Die Dichtewellentheorie

Nach dieser Theorie sind die galaktischen Arme keine physischen Objekte, die gemeinsam rotieren, sondern gravitative Schockwellen, die sich durch die galaktische Scheibe ausbreiten. Diese Wellen komprimieren Gas und Staub und lösen so die Bildung neuer Sterne aus. Diese jungen massereichen Sterne sind sehr leuchtkräftig, was die Arme sichtbarer macht.

Die Selbstausbreitung der Sternentstehung

In diesem Modell verursacht die Bildung neuer Sterne in einer Region der galaktischen Scheibe Schockwellen, die wiederum die Bildung neuer Sterne in den benachbarten Regionen auslösen. Dieser Prozess breitet sich dann von Nah zu Nah aus und erzeugt eine Spiralstruktur.

Diese beiden Theorien schließen sich nicht gegenseitig aus, und es ist möglich, dass beide zur Entstehung und Dynamik der galaktischen Arme beitragen.

Zwei Arme oder vier? Eine noch immer lebhafte wissenschaftliche Debatte

Die Spitzer-Studie von 2008: zwei Hauptarme

Die genaue Struktur der Milchstraße bleibt umstritten, gerade weil wir sie von innen beobachten. Im Jahr 2008 kam eine Analyse der Infrarotbilder des Spitzer-Weltraumteleskops, bei der die Sterne in jeder Richtung gezählt wurden, zu dem Schluss, dass die Galaxie nur zwei Hauptarme besitzt, Scutum-Centaurus und Perseus, die direkt die Enden des zentralen Balkens verlängern; Sagittarius und Norma, die bis dahin als Hauptarme galten, wurden zu Nebenarmen herabgestuft, reich an Gas, aber arm an alten Sternen.

Die BeSSeL- und VERA-Surveys: vier Spiralarme

Seitdem hat der große internationale Radio-Survey BeSSeL in Kombination mit dem japanischen VERA-Projekt durch Interferometrie die trigonometrischen Parallaxen von etwa 200 Masern gemessen, die mit jungen massereichen Sternen in Sternentstehungsregionen verbunden sind. Diese Messungen, die deutlich direkter sind als die Sternzählung, zeigen, dass die Milchstraße tatsächlich eine Vierarmspirale ist — Norma-Äußerer, Scutum-Centaurus, Sagittarius-Carina und Perseus — wobei der Unterschied zur Spitzer-Studie darin besteht, dass die jungen, massereichen Sterne alle vier Arme nachzeichnen, während die älteren Sterne nur in den beiden massereichsten konzentriert sind. Die beiden Ergebnisse sind also nicht widersprüchlich: Sie beschreiben unterschiedliche Sternpopulationen.

Der Orionarm, ein Arm eigenen Rechts

Ein lokaler Arm, der lange als Sporn galt

Die Sonne befindet sich in keinem der vier großen Arme: Sie liegt im lokalen Arm, auch Orionarm genannt, einer Struktur, die lange als einfacher sekundärer „Sporn“ (spur) zwischen dem Sagittarius- und dem Perseusarm galt. Diese bescheidene Einstufung wurde ab 2013 gründlich revidiert, als ein Team unter der Leitung der Astronomin Ye Xu durch VLBI die Parallaxe von Masern in diesem Arm maß und eine weitaus höhere Anzahl von Sternentstehungsregionen entdeckte als erwartet.

Die Studie von 2016: ein Arm eigenen Rechts

Eine Folgestudie, die 2016 in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, identifizierte acht neue Maser im Orionarm und erhöhte seine geschätzte Länge auf etwa 25 000 Lichtjahre, gegenüber etwas mehr als 16 000 Lichtjahren, die 2013 geschätzt wurden — also fast das Doppelte. Sein Pitch-Winkel und seine Sternentstehungsrate erwiesen sich als vergleichbar mit denen der großen Sagittarius- und Perseusarme. Wie der Astronom Mark Reid (Harvard-Smithsonian), Mitautor der Studie, zusammenfasste: Die Milchstraße hat zwar vier Hauptarme, aber auch bedeutende asymmetrische Strukturen wie diesen lokalen Arm, weder ganz ein Sporn noch ganz ein Arm eigenen Rechts.

Neuere Beobachtungen

Präzisionsmessungen

Dank sehr präziser Techniken, wie den Positions- und Bewegungsmessungen von Sternen mit dem Gaia-Satelliten (dessen Beobachtungsmission im Januar 2025 nach mehr als drei Billionen Messungen endete) oder den sehr feinen Radio-beobachtungen der Maser des BeSSeL-Surveys, können Astronomen heute eine 3D-Karte der Milchstraße erstellen und die Geschwindigkeiten der Objekte darin präzise messen.

Eine komplexe Struktur

Diese neuen Daten zeigen, dass unsere Galaxie sowohl stabile Spiralarme, die globalen Wellen ähneln, als auch eher temporäre Strukturen besitzt, die lokal auftreten, wie die Sporne, die den lokalen Arm mit den benachbarten Armen verbinden. Dies ergibt ein komplexes, aber kohärentes Bild, in dem mehrere Phänomene zusammenwirken, um die beobachteten Spiralarme zu formen.

Was man sich merken sollte

Ein Kompromiss zwischen zwei Mechanismen

Aus mechanischer Sicht resultieren die Spiralarme aus einem Kompromiss zwischen kollektiven Moden (Dichtewellen) und transienten lokalen Phänomenen, die durch Scherung und Dissipation im Gas verstärkt werden. Die Milchstraße scheint diese beiden Mechanismen zu kombinieren, was die Komplexität ihrer Spiralstruktur erklärt. Der Multi-Tracer- und Multi-Skalen-Ansatz ist wesentlich, um die galaktische Dynamik zu entschlüsseln.

Die wichtigsten Spiralarme unserer Galaxie

Vier Hauptarme plus ein lokaler Arm

Nach dem derzeit am besten eingeschränkten Modell, das auf den Maser-Parallaxen des BeSSeL-Surveys basiert, hat die Milchstraße vier Hauptspiralarme — Norma-Äußerer, Scutum-Centaurus, Sagittarius-Carina und Perseus — zu denen der lokale Arm (oder Orionarm) hinzukommt, in dem sich unser Sonnensystem befindet und der heute als eigenständige Struktur und nicht mehr als einfacher Sporn anerkannt ist.

Sterne in Bewegung

Entgegen einer verbreiteten Vorstellung bleiben die Sterne nicht in diesen Armen fixiert, sondern durchqueren sie auf ihrer galaktischen Umlaufbahn mit einer Geschwindigkeit von etwa 230 km/s. Diese ständige Bewegung erklärt, warum die Arme keine eingefrorenen Strukturen sind, sondern Dichtewellen in ständiger Entwicklung.

Anm.:
Die angegebenen Entfernungen entsprechen dem galaktozentrischen Radius des Referenzsegments, das verwendet wird, um jeden Arm an eine logarithmische Spirale anzupassen, und nicht einer gesamten „Länge“ des Arms, ein schlecht definierter Begriff für eine Struktur, die sich über mehrere Zehntausend Lichtjahre windet. Sie werden für einen Abstand Sonne-galaktisches Zentrum von 8,15 kpc berechnet.

Die Zukunft unserer Galaxie

Die Kollision mit Andromeda

In etwa 4 Milliarden Jahren wird die Milchstraße in eine Kollision mit der Andromedagalaxie geraten. Diese bedeutende gravitative Wechselwirkung wird die Struktur unserer Spiralarme radikal verändern und sie wahrscheinlich in eine elliptische Galaxie umwandeln. Numerische Simulationen legen nahe, dass die Wahrscheinlichkeit einer direkten Sternkollision äußerst gering bleibt, in der Größenordnung von \(10^{-12}\) pro Stern.