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Dr. Ortwin Gerhard
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Originalveröffentlichung

1.
Ortwin Gerhard and Inma Martinez-Valpuesta
The inner galactic bulge: evidence for a nuclear bar?
2.
Inma Martinez-Valpuesta and Ortwin Gerhard
Unifying a boxy bulge and planar long bar in the Milky Way

Die Milchstraße - Tomographie einer Balkenspiralgalaxie

15. Februar 2012

Der Aufbau unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, wirft immer noch Rätsel auf. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik haben nun die Strukturen in ihrem Inneren modelliert und damit neueste projizierte Sternzählungen mit der dreidimensionalen Verteilung der Sterne in Verbindung gebracht: in der Mitte der länglichen Ausbuchtung, dem sogenannten Bulge, der sich etwa 10 000 Lichtjahre quer über das Zentrum der Milchstraße hin ausdehnt, befindet sich eine dichte, quasi runde Verteilung der Sterne mit etwa 4000 Lichtjahren im Durchmesser. Weiter außen wird der Bulge zu einem Balken, der sich auf bis zu 15 000 Lichtjahre erstreckt und an seinen Enden mit den Spiralarmen der Milchstraße wechselwirkt. Im Modell bilden sich all diese Komponenten im Laufe der intrinsischen Entwicklung einer Spiralgalaxie und bestehen aus Sternen, die in der Scheibe entstanden sind. Unsere Milchstraße könnte also ursprünglich eine reine Scheibengalaxie gewesen sein.

<span class="small"><strong>Abbildung 1:</strong> Die Galaxie NGC 1073 ist eine Spiralgalaxie mit einer balkenförmigen Verdickung in der Mitte. Könnten wir unsere Milchstraße "von oben" sehen, könnte sie so ähnlich aussehen.<br /></span> Bild vergrößern
Abbildung 1: Die Galaxie NGC 1073 ist eine Spiralgalaxie mit einer balkenförmigen Verdickung in der Mitte. Könnten wir unsere Milchstraße "von oben" sehen, könnte sie so ähnlich aussehen.
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Unsere Milchstraße besteht wie viele Spiralgalaxien aus einer Scheibe, mit relativ jungen Sternen in Spiralarmen, und einer länglichen Verdickung, dem sogenannten "Bulge", im Zentralbereich mit überwiegend alten Sternen. Dieser Bulge ist bei der Milchstraße wie bei zwei Dritteln der Spiralgalaxien balkenförmig verformt (siehe Abb. 1). Diese grobe Struktur ist bereits seit langem bekannt, allerdings ist es schwierig, die Verteilung und Häufigkeiten der Sterne genau zu vermessen, da sich unsere Sonne und damit auch die Erde in der dünnen Scheibe mit viel Gas und Staub befindet. Weiter entfernte Sterne, insbesondere in Richtung des galaktischen Zentrums in einem Abstand von 25 000 Lichtjahren, werden teilweise durch Gas- und Staubwolken abgeschirmt.

Den besten Blick auf die Zentralregionen unserer Galaxie bekommt man bei Nahinfrarot-Wellenlängen, bei denen diese Wolken durchsichtig werden. Beobachtungen von einer bestimmten Klasse von Riesensternen, den so genannten "Red Clump Stars", liefern die derzeit besten Informationen über die inneren Regionen der Milchstraße. Diese Sterne haben sehr gleichförmige absolute Helligkeit und Farbe, so dass ihre Abstände und die Staubabsorption aus ihrer scheinbaren Helligkeit und Farbe bestimmt werden können. Mit diesen Informationen kann dann die Verteilung der Sterne entlang der Sichtlinie rekonstruiert werden.

<span class="small"><strong>Abbildung 2:</strong> Dieses 360-Grad-Panorama-Bild von der gesamten südlichen und nördlichen Himmelskugel zeigt die Scheibe der Milchstraße, in der das Licht der Sterne hinter absorbierenden Staubwolken verborgen ist.<br /></span> Bild vergrößern
Abbildung 2: Dieses 360-Grad-Panorama-Bild von der gesamten südlichen und nördlichen Himmelskugel zeigt die Scheibe der Milchstraße, in der das Licht der Sterne hinter absorbierenden Staubwolken verborgen ist.
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Asymmetrien in der Verteilung dieser Sterne beiderseits des galaktischen Zentrums ließen die Astronomen annehmen, dass die Sterne in einer balkenförmigen Struktur angeordnet sind. Tatsächlich deuteten die Daten auf zwei Balken hin: einen inneren länglichen Bulge und einen äußeren Balken in der Scheibe mit unterschiedlichen Ausrichtungen. Neueste Beobachtungen im Rahmen der VVV-Beobachtungskampagne am VISTA-Teleskop der ESO zeigten nun, dass sich die Asymmetrien in einer Region etwa 2000 Lichtjahre rund um das galaktische Zentrum erneut ändern. Gibt es also einen zusätzlichen Kernbalken im Innersten der Milchstraße? Und wie könnten sich all diese Strukturen im Inneren der Milchstraße gebildet haben?

Mit Hilfe einer Computersimulation haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik nun gezeigt, dass der längliche Bulge, der Balken in der Scheibe und die Verteilung der Sterne im Zentrum der Milchstraße mit ein- und demselben Modell erklärt werden können. Dieses zeigt außerdem, wie der Balken mit den Spiralarmen interagiert. Der innere Bereich, bis zu 2000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt, hat eine höhere Dichte und eine rundere Verteilung der Sterne als die zigarrenförmige Struktur des äußeren Bulges.

<span class="small"><strong>Abbildung 3:</strong> Computermodell einer Scheibengalaxie ähnlich der Milchstraße. Das Bild oben zeigt eine Seitenansicht der Simulation, wie man die Galaxie von der Position der Erde aus sehen würde. Im Bild links ist die gesamte Simulation mit einer Größe von 50 000 Lichtjahren pro Seite dargestellt, das Bild rechts zeigt einen Ausschnitt mit 16 000 Lichtjahren pro Seite. Links erkennt man die längliche Verzerrung des Balkens, der an seinen Enden mit den Spiralarmen wechselwirkt. Das Bild rechts zeigt die Strukturänderung im Zentrum, wo die Sterne eine rundere Verteilung um das Zentrum haben.</span> Bild vergrößern
Abbildung 3: Computermodell einer Scheibengalaxie ähnlich der Milchstraße. Das Bild oben zeigt eine Seitenansicht der Simulation, wie man die Galaxie von der Position der Erde aus sehen würde. Im Bild links ist die gesamte Simulation mit einer Größe von 50 000 Lichtjahren pro Seite dargestellt, das Bild rechts zeigt einen Ausschnitt mit 16 000 Lichtjahren pro Seite. Links erkennt man die längliche Verzerrung des Balkens, der an seinen Enden mit den Spiralarmen wechselwirkt. Das Bild rechts zeigt die Strukturänderung im Zentrum, wo die Sterne eine rundere Verteilung um das Zentrum haben. [weniger]

"In unserem Modell entsteht der galaktische Bulge durch dynamische Instabilitäten in der Scheibe", erklärt Ortwin Gerhard, der leitende Wissenschaftler der MPE-Forschungsgruppe. "Überraschenderweise konnten wir die neu entdeckte Anordnung der Sterne dabei ebenfalls in unserem Modell reproduzieren, ohne die Parameter diesen Beobachtungen speziell anpassen zu müssen. Alle Komponenten, ob nahe dem Zentrum oder weiter außen, bilden sich ganz natürlich im Rahmen der Entwicklung einer gewöhnlichen Scheibengalaxie."

Die Simulation besteht aus einer Million Teilchen, die anfangs in einer exponentiellen Scheibe angeordnet und von einem Halo aus dunkler Materie umgeben sind. Im Laufe von 1-2 Milliarden Jahren entwickeln sich Instabilitäten, die dazu führen, dass sich zunächst eine balkenförmige Struktur entwickelt und schließlich eine Verdickung im Zentrum, der längliche Bulge. Die Tatsache, dass die Strukturen der Milchstraße, wie wir sie von unserer Position in der Scheibe aus sehen, in einer solchen Simulation ganz normal entstehen, stützt die Hypothese, dass unsere Milchstraße als reine Scheibengalaxie begann und sich ohne großen Einfluss von außen entwickelte.

 
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