Hubble und Gaia bestimmen Gewicht der Milchstraße

Künstlerische Darstellung eines Computermodells der Milchstraße und die genauen Positionen der Kugelsternhaufen, die in dieser Studie verwendet wurden. © ESA/Hubble, NASA, L. Calçada, USA

By Petra Wiesmayer

Wie wiegt man eine Galaxie und wie viel wiegt so eine Galaxie überhaupt? Einem internationalen Team von Astronomen des European Southern Observatory (ESO) in Garching bei München, der britischen University of Cambridge, dem Johns Hopkins University Center for Astrophysical Sciences und des Space Telescope Science Institutes in Baltimore, USA ist es nun gelungen, das Gewicht der Milchstraße zumindest annähernd zu bestimmen. Dazu kombinierten sie Messungen des NASA/ESA Hubble Space Telescopes und des ESA Gaia Satelliten.

Was herauskam, ist, dass unsere Heimatgalaxie im Radius von 129.000 Lichtjahren um das galaktische Zentrum rund 1,5 Billionen Sonnenmassen wiegt. „In Kilogramm umgerechnet sind 1,5 Billionen Sonnenmassen 3 x 10^39 Tonnen“, sagt Teamleiterin Dr. Laura Watkins von der ESO. „Das ist eine 3 mit 39 Nullen oder 3 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 Tonnen!“

Bisherige Schätzungen der Masse der Milchstraße bewegten sich zwischen 500 Milliarden und 3 Billionen Sonnenmassen. Diese große Differenz entstand in erster Linie aus den verschiedenen Methoden zur Messung der Verteilung der dunklen Materie, die etwa 90% der Gesamtmasse der Galaxie ausmacht. „Wir können dunkle Materie nicht direkt erkennen”, betont Watkins. „Das führt zur gegenwärtigen Unsicherheit in der Bestimmung der Masse der Milchstraße – man kann nicht genau messen, was man nicht sehen kann!”

Nachdem also die dunkle Materie nicht gemessen und somit auch nicht gewogen werden kann, bedienen sich die Forscher anderer Methoden. Sie maßen die Geschwindigkeit von Kugelsternhaufen – dichten Sternhaufen, die die Spiralscheibe der Galaxie in großer Entfernung umkreisen.

Messpunkte Kugelsternhaufen

„Wir nutzen die Bewegungen einer Gruppe von Objekten, um die Masse eines größeren Objekts zu messen. Die Objekte (in diesem Fall Kugelsternhaufen) kreisen innerhalb eines größeren Objekts (in diesem Fall die Milchstraße). Die Cluster bewegen sich unter der Schwerkraft der Milchstraße“, erklärt Laura Watkins. „Wie schnell sie sich bewegen, hängt von der Stärke der Schwerkraft ab, die davon abhängt, wie viel Masse es gibt. Um das also umzukehren: Indem wir ihre Geschwindigkeit messen, können wir die Masse der Milchstraße schätzen. Wir verwenden die Cluster, um die Masse der Milchstraße zu schätzen, nicht die Masse der Cluster selbst.“

Die Forscher basierten ihre Studie auf von Gaia gesammelten Daten, ein Satellit der ESA (European Space Agency), der entwickelt wurde, um eine präzise dreidimensionale Karte der astronomischen Objekte in der gesamten Milchstraße zu erstellen und deren Bewegungen zu verfolgen. Die zweite Datenfreigabe beinhaltet Messungen von Kugelsternhaufen, die bis zu 65.000 Lichtjahre von der Erde entfernt sind.

Das Team kombinierte diese Daten mit Beobachtungen von Hubble, durch die sie auch kaum sichtbare und bis zu 130.000 Lichtjahre von der Erde entfernte Kugelsternhaufen in die Studie einbeziehen konnten. Da Hubble einige dieser Objekte bereits seit zehn Jahren beobachtet, war es möglich, auch die Geschwindigkeit dieser Cluster genau zu verfolgen.

Das Gewicht einzelner Objekte wie Planten oder Sterne wird so aber nicht bestimmt. „Mit dieser Methode können wir die Gesamtmasse von allem innerhalb der Milchstraße messen (dunkle Materie, Gas, Sterne, Planeten, Schwarze Löcher), alles zusammengenommen. Die Cluster bewegen sich, weil sie eine Schwerkraft spüren – sie kennen nur die Gesamtkraft, die sie fühlen, nicht, wie viel von dieser Kraft von einem Objekttyp und wie viel von einem anderen kam. Daher können wir mit dieser Methode nicht die Masse der einzelnen Dinge schätzen, sondern nur die Gesamtmasse der Milchstraße“, führt Laura Watkins aus.

Große Bedeutung für die Wissenschaft

Bisher stellten die mangelnden Informationen über die genaue Masse der Milchstraße ein Problem bei dem Versuch dar, viele kosmologische Fragen zu beantworten. Der Anteil an dunkler Materie in einer Galaxie und ihre Verteilung sind untrennbar mit der Bildung und dem Wachstum von Strukturen im Universum verbunden. „Aus anderen Forschungen wissen wir, dass die Gesamtmasse der Sterne in der Milchstraße etwa 60 Milliarden Sonnenmassen beträgt (also etwa 4% der Gesamtmasse, die wir gefunden haben)“, ergänzt Watkins. „Wir wissen auch, dass die Gesamtmasse in Baryonen (Sterne und Gas) etwa 16% beträgt. Wenn 4% aus Sternen bestehen, dann müssen 12% Gas sein. Die restlichen 84% sind dunkle Materie.“

Daher habe dieses Ergebnis auch eine große Bedeutung für die Wissenschaft, betont die Astronomin. „Die Milchstraße ist die Galaxie, die uns am nächsten ist, also ist sie diejenige, die wir am detailliertesten studieren können. Astronomen nutzen das Wissen, das wir über die Milchstraße gewinnen können, um mehr über entfernte Galaxien zu erfahren, die wir nicht so detailliert untersuchen können. Wenn wir also eine grundlegende Größe wie die Masse der Milchstraße kennen, können wir sehen, wie sie im Vergleich zu anderen Galaxien aussieht.“

Diese Erkenntnisse würden auch dabei helfen, die Geschichte und Zukunft der Milchstraße verstehen. „Wir sehen die Milchstraße so, wie sie jetzt ist, nicht so, wie sie in der Vergangenheit war“, so Watkins. „Also führen Astronomen Simulationen durch, wie sich die Milchstraße über Milliarden von Jahren gebildet und entwickelt haben könnte, und schauen dann, welche Simulationen mit einer Galaxie enden, die am ehesten der Milchstraße ähnelt. Um diese Vergleiche durchführen zu können, müssen wir die Eigenschaften der Milchstraße so genau wie möglich kennen.“