Sterne, Galaxien und das UniversumTeil 6: Die Milchstraße

Peter Hauschildtyeti@hs.uni-hamburg.de

Hamburger SternwarteGojenbergsweg 112

21029 Hamburg

5. Juli 2019

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Die Milchstraße

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Übersicht

I Was ist die Milchstraße?I Form und GrößeI AufbauI SpiralarmeI Zentrum

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Herschel’s Milchstraße

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Aufbau der Milchstraße

I Vermutung 18. Jahrhundert →I Milchstraße ist eine Scheibe aus SternenI Sonne sitzt innerhalb der ScheibeI Wo? Sternzählungen (Herschel) →I Zentrum (siehe Bild oben)I → dieses Ergebnis war falsch!I Sternhaufen AnalyseI → Entdeckung des IntStell Staubs!I Staub verdeckt die allermeisten Sterne!I → können nur die Nahe Sonnenumgebung sehen!

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Aufbau der Milchstraße

I Verteilung der Kugelsternhaufen (Shapley)I liegen nicht in der ScheibeI Entfernung durch CepheidenI → Räumliche Verteilung um die Milchstraße

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Kugelsternhaufen

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Aufbau der Milchstraße

I Kugelsternhaufen:sphärisch verteilt

I Sonne ca. 8 kpc vomZentrum

I liegt in der Scheibe

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Aufbau der Milchstraße

I im sichtbaren Licht können wir den Kern der Milchstraßenicht sehen

I → Staub ist durchsichtiger für IR!I strahlt auch selber im IR ab

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Staub im IR

I COBE SatellitI 1.2, 2.2, 3.4µm

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Staub im IR

I IRAS SatellitI 25, 60, 100µm

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Aufbau der Milchstraße

I Staub ist durchsichtig in Radio!I → können das Zentrum sehen (s.u.)I zusammen lassen sich Aufbau und Größe feststellen:

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Aufbau der Milchstraße

I Scheibe:I Durchmesser: 50 kpcI Dicke: 0.6 kpc

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Aufbau der Milchstraße

I ’central bulge’I aus Sternen!I Durchmesser: 2 kpcI nicht rund . . .I Erdnuss-förmig

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Aufbau der Milchstraße

I HaloI Kugelsternhaufen!I Durchmesser: 50 kpcI enthält auch SterneI fast sphärisch

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Milchstraße

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Milchstraße von ’Außen’

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Aufbau der Milchstraße

I Details des Aufbaus unbekannt bis zur Entwicklung derRadioastronomie

I häufigstes Element: WasserstoffI → suche nach IntStell WasserstoffI aber: Linien liegen im UV oder SichtbarenI glücklicherweise kann H auch im Radiobereich emittieren:

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21 cm Linie

I Spin → Proton, Elektronwie kleine Stabmagneten

I → Energiegehalte von H Ihängt von Ausrichtung ab

I spin-flip von ’oben’ nach’unten’

I Photon mit 21 cmWellenlänge

I Gas muss sehr verdünntsein damit das funktioniert

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Milchstraße in 21 cm Radio

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Aufbau der Milchstraße

I 21 cm Linie zeigt nur neutralen WasserstoffI keinen ionisierten WasserstoffI keinen molekularen WasserstoffI Verteilung ist nicht homogenI erlaubt die Scheibe der Milchstraße zu untersuchen

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Spiralarme

I H I Wolken laufen um dasZentrum

I →Dopplerverschiebungen!

I nur projizierteGeschwindigkeiten

I einige Bereiche lassen sichso nicht untersuchen

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Spiralarme

I → Karte der H IVerteilung

I Gelber Pfeil: SonneI StrukturI → Milchstraße hat

Spiralarme

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Spiralarme

I H I Verteilung in anderenGalaxien

I Beispiel: M83I 4Mpc EntfernungI sichtbares Licht:I junge, blaue Sterne in den

Armen

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Spiralarme

I Beispiel: M83I in 21 cm RadioI → H I Wolken in den

Spiralarmen

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Skizze der Milchstraße

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Rotation der Milchstraße

I Spiralarme → Milchstraße rotiert?I genaue Bestimmung ist schwierig!I 21 cm Linie → Rotation der H I WolkenI Sterne, Gas etc laufen um das ZentrumI innerhalb der Scheibe mit fast konstanter Geschwindigkeit

relativ zur Sonne

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Rotation der Milchstraße

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Rotation der MilchstraßeI sehr unterschiedlich zu starrer Rotation

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Rotation der MilchstraßeI auch sehr unterschiedlich zu Kepler Rotation

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Rotation der Milchstraße

I müssen auch wissen wie schnell die Sonne sich bewegtI das lässt sich am besten mit andere Galaxien oder

Kugelsternhaufen messenI → Sonne bewegt sich mit 220 km/sI → Umlaufperiode: 220Myr

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Rotation der Milchstraße

I damit lässt sich die Masse innerhalb der Sonnenbahnbestimmen (Kepler 3)

I → etwa 9× 1010 M�

I → Masse der Milchstraße muss größer seinI Daten für H I Wolken etc.I Bestimmung der Rotationskurve der Milchstraße

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Rotationkurve

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Rotation der Milchstraße

I Zentralgebiet → starre RotationI Geschwindigkeit nimmt nach außen nicht ab!I → Gesamtmasse mehr als 6× 1011 M�

I → es muss viel Masse außerhalb des sichtbaren Bereichesder Milchstraße geben

I die kann man aber nicht sehen!

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Rotation der Milchstraße

I → Dunkle MaterieI Was ist Dunkle Materie?I 2 Kandidaten:I MACHOs

I massive compact halo objectsI Schwarze Löcher, Sterne, Braune/Weiße ZwergeI Massen zwischen 0.01 M� bis 1 M�

I WimpsI weakly interacting massive particlesI sub-atomare TeilchenI Neutrinos etc.

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Spiralarme

I Woher kommen die Spiralarme?I die Arme können mit der beobachteten Rotation nicht

stabil seinI sie würden sich innerhalb weniger Umdrehungen

aufwickeln:

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Aufwickeln der Arme

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Aufwickeln der Arme

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Spiralarme

I → Spiralarme können nicht aus immer denselben Sternenbestehen

I Lindblad (1940):I Spiralarme sind eine Art Dichtewelle die durch die

Milchstraße läuftI in den Maxima ist die Stern/Teilchendichte höherI Dichtewelle ist langsamer als Sterne etcI wird angetrieben durch Gravitationskräfte der Sterne

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Dichtewellen

I in den Zonen hoherDichte bilden sich Sterne

I → junge (blaue) Sterne inden Spiralarmen

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Spiralarme

I Dichtewellen brauchen EnergieI geliefert durch Bulge (nicht sphärisch)I oder durch Wechselwirkung mit anderen Galaxien

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Dichtewellen

I produzierenI grand-design spirals

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Spiralarme

I es gibt auchI flocculent spiralsI produziert durch

selbst-verbreitendeSternbildung

I meistens beide Prozesseaktiv?

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Das Zentrum

I Sterndichte sehr hoch:I vom Zentrum aus →I 1M Sterne so hell wie

SiriusI Nachthimmel 200 mal so

hell wie Vollmond!

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Das Zentrum

I IR BildI zeigt das ZentralgebietI viele StaubwolkenI geheizt durch junge OB

SterneI Sgr A: stärke IR Emission

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Sgr A

I ist auch stärksteRadioquelle

I ca. Vollmond (60 pcDurchmesser)

I Filamente →I Magnetisches Feld

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Sgr A

I innerster Bereich (7 pc)I mini-spiraleI Sgr A∗

I → Zentrum derMilchstraße

I umgeben von Ring ausMolekülwolken

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Zentralgebiet

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Sgr A∗

I Was ist Sgr A∗?I beobachte Sterne nahe ZentrumI hohe UmlaufgeschwindigkeitenI Kepler 3 → Masse des ZentrumsI → 2.6× 106 M�

I → supermassives Schwarzes LochI was anderes passt nicht rein!

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Sgr A∗

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