Das Rendering dieses Künstlers zeigt eine Ansicht unserer eigenen Milchstraße und ihres zentralen Balkens, wie sie von oben betrachtet aussehen könnte. Ein Pfeil zeigt den Standort unserer Sonne an. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/R. Verletzt (SSC)
Neue Forschungen zeigen, dass ein Abschnitt der äußeren Milchstraße klumpiger und weniger gut organisiert ist als bisher angenommen.
Wenn Sie nachts an einem ländlichen Ort mit dunklem Himmel nach draußen gehen, können Sie nach oben schauen und ein Sternenband sehen, das den Himmel überzieht. Diese Band ist unsere Milchstraße Galaxie, die wir am Rand sehen, da wir uns darin befinden. Wenn wir schneller als das Licht reisen und über die Ebene unserer Galaxie klettern könnten, würden wir eine flache Scheibe mit spiralförmigen Armen sehen, die sich um den Kern wickeln. Aber welche Form würden diese Spiralarme genau haben? Da wir hier ohne Vogelperspektive feststecken, müssen wir andere Methoden anwenden, um die Form der Galaxie zu messen.
Von der Position der Erde ausgehend haben Astronomen ein Modell des benachbarten Spiralarms konstruiert, der als Perseus-Arm bekannt ist. Frühere Arbeiten legten nahe, dass der Perseus-Arm eine schmale und ausgeprägte Form besitzt. Neue Forschungen zeigen jedoch, dass zumindest ein Teil des Perseus-Arms ohne klar definierte Struktur illusorisch sein kann. Die Illusion ist das Ergebnis von Komplexitäten, die erstmals 1971 von W. Burton vorhergesagt wurden.
Auf einer Karte der Milchstraße ist der benachbarte Spiralarm direkt hinter der Sonne als Perseus-Arm bekannt. Astronomen erstellten diese Karte, indem sie die Positionen natürlicher Radioquellen, die als Maser (rosa Punkte in Auszügen rechts) und Staubwolken (blaue Punkte) bekannt sind, vermessen. Oben rechts zeigt ein schattierter Bereich die zuvor angenommene Form des Perseus-Arms, abgegrenzt durch eine Kombination aus Masern und Staubwolken. Neue Messungen (Mitte rechts) zeigen, dass einige dieser Staubwolken viel näher oder weiter von der Sonne entfernt sind als ursprünglich angenommen. Infolgedessen kann der Perseus-Arm viel klumpiger und weniger gut definiert sein (unten rechts). Bildnachweis: Joshua Peek (STScI), Robert L. Hurt (Caltech, IPAC), Leah Hustak (STScI)
Unsere Milchstraße ist vielleicht flauschiger, weniger drahtig
Unsere Milchstraße ist seit langem als Spiralgalaxie bekannt, ähnlich einem Spiegelei mit einer bauchigen zentralen Ausbuchtung und einer dünnen, flachen Sternenscheibe. Jahrzehntelang haben sich Astronomen damit beschäftigt, die Scheibe der Milchstraße und die dazugehörigen Spiralarme zu kartieren. Wie ein altes Sprichwort sagt, sieht man den Wald vor lauter Bäumen nicht, und wenn man mitten im Wald ist, wie kann man seine Haine ohne Vogelperspektive kartieren?
Frühere Arbeiten haben vorgeschlagen, dass die Milchstraße eine sogenannte „Grand Design“-Spirale mit langen, schmalen, gut definierten Spiralarmen ist. Neue Forschungen haben jedoch ergeben, dass mindestens ein Teil der äußeren Milchstraße (außerhalb der Position der Sonne) viel klumpiger und chaotischer ist.
„Wir haben seit langem ein Bild der Galaxie im Kopf, das auf einer Kombination von Messungen und Schlussfolgerungen basiert“, sagte Josh Peek vom Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland. „Diese Arbeit stellt dieses Bild in Frage. Wir sehen keine Beweise dafür, dass Teile, die wir miteinander verbunden haben, tatsächlich verbunden sind.“
Entfernungen sind der Schlüssel
Bei der Kartierung unserer Galaxie besteht die größte Herausforderung darin, die Entfernung zu einem bestimmten Stern, Sternhaufen oder Gasklumpen zu ermitteln. Der Goldstandard besteht darin, Parallaxenmessungen von natürlich vorkommenden Radioquellen, sogenannten Masern, zu verwenden, von denen einige in massereichen Sternentstehungsgebieten gefunden werden. Diese Technik hinterlässt jedoch zwangsläufig Lücken.
Um diese Lücken zu schließen, wechseln Astronomen von der Untersuchung von Sternentstehungsregionen zu Gaswolken und insbesondere zu den Bewegungen dieser Gaswolken. Im Idealfall hängt die von uns gemessene Sichtlinienbewegung für eine Gaswolke aufgrund der Gesamtrotation der Milchstraße direkt mit ihrer Entfernung zusammen. Als Ergebnis können wir durch die Messung von Gasgeschwindigkeiten Entfernungen und damit die zugrunde liegende Struktur der Galaxie bestimmen.
Die Frage ist dann, was ist mit einer nicht idealen Situation? Während die Bewegung einer bestimmten Gaswolke von ihrer Rotation um das galaktische Zentrum dominiert werden könnte, hat sie zweifellos auch einige zusätzliche, zufälligere Bewegungen. Können diese zusätzlichen Bewegungen unsere Karten verwirren?
Klumpig und klumpig
Um dieser Frage nachzugehen, untersuchten Peek und seine Kollegen nicht das Gas, sondern den Staub. Im Allgemeinen sind Gas und Staub in unserer Galaxie eng miteinander verbunden. Wenn Sie also das eine kartieren können, kartieren Sie auch das andere.
3D-Staubkarten können erstellt werden, indem die Farben großer Ansammlungen von Sternen untersucht werden, die über den Himmel verteilt sind. Je mehr Staub sich zwischen dem Stern und unserem Teleskop befindet, desto röter erscheint der Stern im Vergleich zu seiner natürlichen Farbe.
Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops der nahegelegenen Galaxie Messier 83 (M83). Bildnachweis: NASA, ESA und Z. Levay (STScI/AURA) Danksagung: NASA, ESA und R. Khan (GSFC und ORAU)
Peek und sein Team untersuchten eine Region des Weltraums, die als Perseus-Spiralarm bekannt ist und sich jenseits unserer Sonne in der Scheibe der Milchstraße befindet. Sie verglichen die über die Staubrötung gemessenen Distanzen mit denen, die durch die Geschwindigkeitsbeziehung ermittelt wurden. Sie fanden heraus, dass viele der Wolken tatsächlich nicht in der Entfernung des Perseus-Arms liegen, sondern sich über eine Entfernung von etwa 10.000 Lichtjahren erstrecken.
„Wir haben doch keine langen, dünnen Spiralarme, zumindest in diesem Teil der Galaxis. Es gibt Brocken und Klumpen, die nach nichts aussehen“, erklärte Peek. „Es ist gut möglich, dass die äußere Scheibe der Milchstraße der nahegelegenen Galaxie Messier 83 ähnelt, mit kürzeren, zerhackten Armen.“
Überarbeitung unserer Karte
Während sich diese neueste Forschung auf die äußere Milchstraße konzentrierte, plant Hubble-Stipendiatin Catherine Zucker, ein Mitglied von Peeks Team am STScI, diese Arbeit auf die innere Milchstraße auszudehnen. Im Inneren der Sonnenbahn befinden sich die Spiralarme, die am aktivsten Sterne bilden.
Zucker plant die Erstellung von 3D-Staubkarten mit bestehenden groß angelegten Infrarot-Durchmusterungen, um die Rötung von etwa 1 bis 2 Milliarden Sternen zu messen. Durch die Verknüpfung dieser neuen Staubkarten mit bestehenden Gasgeschwindigkeitsmessungen können Astronomen unsere Karte der inneren Milchstraße ähnlich verfeinern, wie sie es bereits mit der äußeren Galaxie getan haben.
„Bisherige Bemühungen um 3D-Staubkartierung beruhten weitgehend auf Daten bei Wellenlängen, die für das menschliche Auge sichtbar sind. Niemand hat Deep-Infrarot-Daten verwendet, um eine 3D-Staubkarte zu erstellen“, sagte Zucker. „Wir werden möglicherweise feststellen, dass diese Region wie der Perseus-Arm chaotischer und weniger gut definiert ist.“
Noch mehr Erkenntnisse könnten das kommende römische Weltraumteleskop Nancy Grace und das Vera Rubin-Observatorium liefern. Das römische Weltraumteleskop wird in der Lage sein, die gesamte galaktische Ebene in wenigen hundert Stunden abzubilden. Auch seine Infrarotmessungen werden den Staub durchdringen.
„Wir konnten zum ersten Mal klar auf die andere Seite der Galaxie sehen. Wenn eine Umfrage wie diese für Roman ausgewählt wird, wäre das atemberaubend“, sagte Peek.
Rubin hingegen wird in der Lage sein, lichtschwache Objekte bei einer Vielzahl optischer Wellenlängen tiefgehend zu beobachten. Indem wir Romans Infrarotansicht des Himmels mit Rubins tiefen optischen Daten mit mehreren Wellenlängen kombinieren, können wir endlich unseren eigenen kosmischen „Wald“ kartieren.
Dieses Werk wird zur Veröffentlichung angenommen in Das Astrophysikalische Journal.
Das Space Telescope Science Institute erweitert die Grenzen der Weltraumastronomie, indem es das Wissenschaftsbetriebszentrum des Hubble-Weltraumteleskop, die Wissenschafts- und Missionsbetriebszentren für die James Webb Weltraumteleskop, und das wissenschaftliche Operationszentrum für das römische Weltraumteleskop Nancy Grace. Das STScI beherbergt auch das Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST), das als NASA-finanziertes Projekt zur Unterstützung und Bereitstellung einer Vielzahl von astronomischen Datenarchiven für die astronomische Gemeinschaft und ist das Datenarchiv für Hubble, Webb, Roman, Kepler, K2, TESS Missionen und mehr. STScI wird für die NASA von der Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, DC betrieben