Die Milchstraße ist eine Balkenspiralgalaxis mit einem geschätzten D25-Isophotal-Durchmesser von 26,8 ± 1,1 Kiloparsec (87.400 ± 3.600 Lichtjahre) – und doch ist sie nur etwa 1.000 Lichtjahre dick in den Spiralarmen. Wenn man eine so breite Scheibe auf diese Dicke abflacht, werden die Proportionen schnell seltsam: Die Galaxie, in der wir leben, ähnelt eher einem Blatt als einer Sphäre.
Sie enthält schätzungsweise 100 bis 400 Milliarden Sterne und mindestens ebenso viele Planeten, die alle ein gemeinsames Zentrum umkreisen, das Astronomen erst 2022 direkt fotografieren konnten. Zwischen der sichtbaren Scheibe und dem unsichtbaren Material, das sie umgibt, ist die Milchstraße seltsamer und größer als das ruhige Lichtband, das sie von einem dunklen Hof aus zu sein scheint.
Wo wir wirklich sitzen
Das Sonnensystem befindet sich in einem Radius von etwa 27.000 Lichtjahren (8,3 kpc) vom galaktischen Zentrum entfernt, am inneren Rand des Orion-Arms, einer der spiralförmigen Konzentrationen von Gas und Staub, die sich durch die Scheibe winden. Dies platziert uns weit weg vom überfüllten Zentrum und unterhalb des echten Randes – eine ziemlich gewöhnliche Adresse in einer Galaxie mit hunderten Milliarden Sternen.
Weg vom zentralen Bulge oder äußeren Rand beträgt die typische Umlaufgeschwindigkeit von Sternen zwischen 200 und 220 km/s. Jeder Stern in dieser mittleren Zone, einschließlich der Sonne, umkreist das galaktische Zentrum mit ungefähr diesem Tempo, alle in die gleiche lange, stille Umlaufbahn gebunden.
Ein schwarzes Loch, das wir endlich fotografierten
Die Sterne im innersten 10.000 Lichtjahre der Milchstraße bilden einen Bulge und einen oder mehrere Balken, die vom Bulge ausstrahlen, und in der absoluten Mitte dieses Bulges sitzt etwas noch Seltsameres als Sterne. Die Massenkonzentration dort wird am besten als ein supermassives schwarzes Loch (SMBH) mit einer geschätzten Masse von 4,1 bis 4,5 Millionen Sonnenmassen erklärt – ein Objekt, das Astronomen aus der Bewegung nahegelegener Sterne Jahrzehnte lang vermuteten, bevor sie es jemals direkt sahen.
Das änderte sich am 12. Mai 2022, als das erste Bild von Sagittarius A* von der Event Horizon Telescope Collaboration veröffentlicht wurde. Es ist das zweite bestätigte Bild eines schwarzen Lochs, das je produziert wurde, nach dem supermassiven schwarzen Loch von Messier 87 im Jahr 2019 – was bedeutet, dass die Menschheit jetzt genau zwei schwarze Löcher direkt abgebildet hat, und eines davon ist das in der Mitte unserer eigenen Galaxie.
Sterne passieren bemerkenswert nah daran vorbei. Ab 2020 ist der Stern S4714 der Rekordhalter für den nächsten Annäherung an Sagittarius A*, mit etwa 12,6 AU (1,88 Milliarden km) – fast so nah wie Saturn der Sonne kommt – während er sich mit etwa 8% der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Ein Stern, der sich einem supermassiven schwarzen Loch so nah nähert und mit einem bedeutsamen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit reist, ist die Art von extremer Physik, die nur in einem Galaxienkern auftritt.
Zwei Arme, nicht vier
Jahrzehnte lang zeigten Illustrationen der Milchstraße vier große Spiralarme. Infrarot-Umfragen haben dieses Bild kompliziert: Diese Beweise deuten darauf hin, dass die Milchstraße nur zwei große Sternenarme besitzt, den Perseus-Arm und den Scutum-Centaurus-Arm, während die anderen zu untergeordneten Strukturen reduziert sind. Der Scutum-Centaurus-Arm hebt sich in den Daten immer noch deutlich ab – er enthält etwa 30% mehr rote Riesen als in Abwesenheit eines Spiralarms erwartet würde, eine Dichtesignatur, die allein das sichtbare Licht nicht so sauber offenbart.
Der Balken im Zentrum der Galaxie ging seinen eigenen Weg zur Anerkennung. Astronomen vermuteten in den 1960er Jahren zunächst, dass die Milchstraße eine Balkenspiralgalaxis ist und nicht nur eine gewöhnliche Spiralgalaxis, aber es brauchte Jahrzehnte, um dies zu bestätigen. Diese Vermutungen wurden durch Beobachtungen des Spitzer Space Telescope im Jahr 2005 bestätigt, die zeigten, dass der zentrale Balken der Milchstraße größer ist als zuvor angenommen – ein Merkmal, das sich vor aller Augen versteckt, verborgen durch den gleichen Staub, der so viel des galaktischen Zentrums vor Teleskopen mit sichtbarem Licht verbirgt.
Ein alter, langsam rotierender Halo
Über die Scheibe hinaus trägt die Milchstraße einen Halo von viel älteren Sternen hinter sich. Im Sternenhalo sind Sterne tendenziell alt, wobei die meisten älter als 12 Milliarden Jahre sind, und sie bewegen sich sehr unterschiedlich von Scheibensterne: Die Halosphären haben eine beobachtete radiale Geschwindigkeitsdispersion von etwa 200 Kilometern pro Sekunde, aber eine geringe durchschnittliche Rotationsgeschwindigkeit von etwa 50 km/s. Scheibensterne umkreisen zusammen in einem schnellen, ordentlichen Strom; Halosphären driften in einem langsamen, verstreuten Schwarm, der sich in über 12 Milliarden Jahren kaum selbst organisiert hat.
Aktuelle Simulationen deuten darauf hin, dass ein Dunkelmaterie-Bereich um die Milchstraße, der auch einige sichtbare Sterne enthält, sich bis zu einem Durchmesser von fast 2 Millionen Lichtjahren (613 kpc) erstrecken kann. Wenn man nur zählt, was leuchtet, ist die Milchstraße etwa 87.400 Lichtjahre breit; wenn man zählt, was ihre Schwerkraft tatsächlich kontrolliert, kann sie sich fast 2 Millionen Lichtjahre erstrecken. Mit dieser breiteren 200 kpc Cutoff-Definition der Galaxie beträgt die Milchstraße insgesamt etwa 0,88 Billionen Sonnenmassen (8,8×10^11 Sonnenmassen) – die überwiegende Mehrheit davon unsichtbar.
Ein Satellit, der die Galaxie kräuselte
Die Milchstraße ist nicht allein, selbst innerhalb ihrer eigenen Gravitationsspanne. Die Sagittarius Dwarf Spheroidal Galaxy, ein Satellit der Milchstraße, hat einen Durchmesser von etwa 10.000 Lichtjahren und ist derzeit etwa 80.380 Lichtjahre von der Erde entfernt, reist in einer polaren Umlaufbahn mit einem Abstand von etwa 50.000 Lichtjahren vom Kern der Milchstraße. Es ist ein kleiner Begleiter, der über den Polen der Galaxie verläuft statt durch die Scheibe.
So klein sie auch sein mag, dieser Satellit hat der gesamten Galaxie seinen Stempel aufgeprägt. Im Jahr 2018 zeigte das Gaia-Projekt der Europäischen Weltraumbehörde, dass die Sagittarius Dwarf Spheroidal Galaxy Störungen in einer Menge von Sternen in der Nähe des Kerns der Milchstraße verursacht hatte, was unerwartete Wellenbewegungen der Sterne auslöste, ausgelöst, als sie sich vor 300 bis 900 Millionen Jahren durch die Milchstraße bewegte. Eine Zwerggalaxis, die ein Bruchteil der Größe der Milchstraße war, kam nah genug heran, vor hunderten Millionen Jahren, um Sterne in der Nähe unseres eigenen galaktischen Kerns zum Kräuseln zu bringen – und die Kräuselung war immer noch nachweisbar, als Gaia danach suchte.
Jeder Stern, zweimal kartografiert
Das Ausmaß, in dem Astronomen jetzt über die Milchstraße wissen, verdankt sehr viel einem einzelnen Raumfahrzeug. Die Gaia-Mission hat die Anzahl der beobachteten Sterne in der Milchstraße von etwa 2 Millionen in den 1990er Jahren auf 2 Milliarden erhöht – ein tausendfacher Sprung in einer Generation der Astronomie, und immer noch nur ein kleiner Bruchteil der 100 bis 400 Milliarden Sterne, von denen angenommen wird, dass die Galaxie sie hält.
Eine Kollision läuft bereits langsam ab
Die Zukunft der Milchstraße über lange Zeit ist bereits in der Bewegung ihrer Nachbarn geschrieben. Die Andromeda-Milchstraße-Kollision ist eine galaktische Kollision, die in etwa 4,5 Milliarden Jahren zwischen den beiden größten Galaxien der Lokalen Gruppe auftreten könnte, und die Andromedagalaxis nähert sich der Milchstraße mit etwa 110 Kilometer pro Sekunde, wie durch Blauverschiebung angezeigt.
Wenn es passiert, werden die beiden Galaxien überraschend wenig direkten Kontakt passieren. Die Andromeda Galaxy enthält etwa 1 Billion (10^12) Sterne und die Milchstraße etwa 300 Milliarden (3×10^11), und selbst so beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Sterne kollidieren, wegen der enormen Distanzen zwischen den Sternen fast nichts. Zwei Galaxien von diesem Ausmaß werden durcheinander hindurchgehen, und das wirkliche Drama der Verschmelzung wird sich fast vollständig im leeren Raum entfalten.