Milchstraße: Rätsel des Balkens gelöst - Kosmischer "Tanz" von Balken und Spiralarmen erklärt widersprüchliche Beobachtungen - scinexx.de
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Milchstraße: Rätsel des Balkens gelöst

Kosmischer "Tanz" von Balken und Spiralarmen erklärt widersprüchliche Beobachtungen

Balken
Die Länge und die Rotationsgeschwindigkeit des Balkens in der Milchstraße variiert, abhängig von seiner Position relativ zu den Spiralarmen.© T. Hilmi/ University of Surrey

Lang oder kurz? Schnell oder langsam? Obwohl der zentrale Balken eines der hervorstechendsten Merkmale unserer Galaxie ist, widersprechen sich Beobachtungen zu seiner Größe und seinem Tempo. Jetzt könnten Astronomen eine Erklärung dafür gefunden haben: Der Sternenbalken geht Schwerkraft-Wechselwirkungen mit den Spiralarmen ein. Ist er vorübergehend mit einem von ihnen verkoppelt, erscheint er langsamer und länger. Ist er es nicht, wird er schneller und kürzer.

Wie viele Spiralgalaxien zeigt die Milchstraße in ihrem Zentrum einen Balken – eine gerade Ansammlung besonders vieler Sterne und Gase. Er bildet einen Transportweg für Material, beeinflusst die Bewegung der Sterne und die Sternenbildung. Doch wie der Balken genau aussieht und wie er sich bewegt, ist bislang strittig – wie so viele Merkmale der Milchstraße. Denn von unserem Blickwinkel aus können wir nur Teile unserer Heimatgalaxie sehen und vor allem ihr Zentrum ist größtenteils verdeckt.

Das „Balken-Paradox“

Daraus ergibt sich das „Balken-Paradox“: Wenn Astronomen die Größe und die Rotation des Balkens indirekt über die Bewegungen sonnennaher Sterne ermitteln, kommen sie auf eine Länge von rund 16.300 Lichtjahren und eine Geschwindigkeit von 35 bis 45 Kilometer pro Sekunde pro Kiloparsec. Beobachten sie jedoch das Milchstraßenzentrum direkt, scheint der Balken mit gut 11.400 Lichtjahren und 50 bis 60 Kilometer pro Sekunde deutlich kürzer und schneller.

Bislang gab es keine Erklärung für diese Diskrepanzen und auch keine Einigkeit darüber, welche Werte dieses so zentrale Merkmal unserer Galaxie am besten beschreiben. Doch nun könnten Tariq Hilmi von der University of Surrey und seine Kollegen eine Lösung für das Balken-Paradox gefunden haben. Für ihre Studie hatten sie die Entwicklung und das Verhalten von Balken und Spiralarmen in zwei verschiedenen Galaxienmodellen simuliert.

Zyklischer „Tanz“ im Galaxienzentrum

Das überraschende Ergebnis: Beide Beobachtungen sind zutreffend. Denn sowohl die Größe des Balkens als auch seine Rotationsgeschwindigkeit verändern sich im Zeitverlauf zyklisch. Dadurch erscheint die zentrale Balkenstruktur der Milchstraße zu bestimmten Zeiten bis zu doppelt so lang und 20 Prozent schneller als zu anderen – der Balken pulsiert gewissermaßen.

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SChwankungen
Periodische Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeiten des galaktischen Balkens und der Spiralarme © I. Minchev/ AIP

Die Ursache dieser Pulsationen ist eine Art galaktischer Tanz zwischen dem Balken und den Spiralarmen der Milchstraße, wie die Modelle enthüllten. Demnach benötigen die spiraligen Dichtewellen rund 200 Millionen Jahre für einen Umlauf um das Milchstraßenzentrum und sind damit deutlich langsamer als der Balken, der in nur 60 Millionen Jahren einen Umlauf vollzieht. Dadurch verschieben sich beide Strukturen gegeneinander: Mal hat ein Balkenende Kontakt mit einem Spiralarm, mal sind beide getrennt.

Kopplung beeinflusst Länge und Tempo

Dieser Wechsel von Kontakt und Trennung hat Folgen: Wenn sich der schnellere Balken einem Spiralarm nähert, bremst ihn die Schwerkraft des Spiralarms leicht ab, der Arm dagegen wird beschleunigt. Dadurch gleicht sich das Tempo der beiden vorübergehend an und sie bewegen sich einige Zeit wie eine Einheit. In dieser Periode erscheint der Balken länger und langsamer als er tatsächlich ist.

Wen sich beide Strukturen dann wieder voneinander trennen, beschleunigt der Balken, während die Spiralarme ihre Rotationsgeschwindigkeit wieder verlangsamen. Beobachtet man den Balken nun, erscheint er kürzer und schneller. „Diese Schwankungen führen zu Abweichungen von bis zu 20 Prozent in der Geschwindigkeit des Balkens“, berichten die Astronomen. Verstärkt wird dies noch durch unseren einseitigen Blickwinkel, von dem aus wir nur das uns zugewandte Ende des Balkens sehen können.

Uns zugewandte Balkenseite ist lang und langsam

Was aber bedeutet dies konkret für das Aussehen und den Zustand des Milchstraßen-Balkens? „Die Kontroverse um den galaktischen Balken kann nun einfach aufgelöst werden“, erklärt Koautor Ivan Minchev vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam. „Wir leben zu einer Zeit, in der der Balken und die Spiralarme miteinander verbunden sind, wodurch die Illusion eines großen und langsamen Balkens entsteht.“ Tatsächlich haben jüngste Beobachtungen gezeigt, dass die uns zugewandte Seite des Balkens zurzeit mit dem sogenannten Scutum-Centaurus-Arm unserer Galaxie verbunden ist.

Allerdings gilt dies für die andere Seite des Balkens möglicherweise nicht: „Weil die beiden Balkenseiten typischerweise nicht exakt zur gleichen Zeit an einen Spiralarm koppeln, können ihre individuellen Längen stärker von der mittleren Balkenlänge abweichen“, erklären die Astronomen. „Während der uns zugewandte Balkenteil gerade seine maximale Länge zeigt, könnte die gegenüberliegende Seite signifikant kürzer sein.“

So verändert sich die scheinbare Balkenlänge der Milchstraße in Abhöängigkeit vion der Position der Spiralarme .© T. Hilmi / University of Surrey

Balken auch in anderen Galaxien überschätzt

Dieser komplexe Tanz der Wechselwirkungen führt dazu, dass Astronomen je nach Messmethode zu ganz unterschiedlichen Werten kommen. Hilmi und sein Team gehen davon aus, dass diese Oszillationen nicht nur die Vermessung unserer eigenen Galaxie erschweren, sondern dass auch die Balkenlängen in rund der Hälfte der anderen Spiralgalaxien je nach Typ um 15 bis 50 Prozent überschätzt wurden.

Sie hoffen, dass das demnächst veröffentlichte dritte Datenpaket der Gaia-Mission mehr Aufschluss über das Verhalten des Balkens im Zentrum der Milchstraße liefert und eine Überprüfung ihres Modell erlaubt. (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020; doi: 10.1093/mnras/staa1934)

Quelle: Royal Astronomical Society, Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)

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