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Unsere Milchstraße – vom ersten Stern zur Spiralgalaxie

Wie sich aus einer strukturlosen Materiewolke unser galaktisches Zuhause mit zig Milliarden Sonnen formte

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12.08.2020
19 Minuten
Das Foto zeigt ein aktuelles Bild vom Zentrum unserer Milchstaße. Zu sehen ist eine riesige Menge von Sternen vor schwarzem Hintergrund, in denen sich nur wenige größere Strukturen erkennen lassen, sowie Gas- und Staubwolken. In der Mitte konzentrieren sich mehr Sterne und die Farbtönung ist gelblicher. Wissenschaftler der ESO können durch Analyse des Bildes erkennen, dass die Sterne im Zentrum der Galaxis in mehreren Phasen entstanden sind, zwischen denen Jahrmilliarden lange Pausen lagen. Das Foto wurde vom Very Large Telescope der ESO in der chilenischen Atacama-Wüste aufgenommen.

Kurz nach dem Urknall gab es noch keine Sterne, sondern lediglich konturlose Wolken aus Wasserstoff, Helium und einer Prise Lithium. Wie sich darin die ersten Sterne formten, woher die schweren chemischen Elemente stammen, was das Schwarze Loch im Zentrum bewirkte, weshalb sich Scheibenform und Spiralarme entwickelten und wie die erdähnlichen Planeten entstanden – all das erzählt diese Biographie unserer kosmischen Heimat

Ein Großstädter dürfte den Anblick selten erleben, doch wer etwas abseits lichtverschmutzter Gegenden lebt, kann in sternenklaren Nächten das blasse Band unserer Milchstraße über sich am Himmel erspähen. Auch wenn dieser milchige Schimmer den Namen für unsere Heimatgalaxie gab, zu ihr gehört viel mehr: Nahezu alle Erscheinungen, die sich am nächtlichen Firmament dem bloßem Auge zeigen, sind Bestandteile der Milchstraße (eine der wenigen Ausnahmen ist der blasse Fleck des Andromeda-Nebels, der kosmischen Schwester unserer Galaxis). Sämtliche am Nachthimmel funkelnden Sterne, der Orion-Nebel, Kometen, Planeten und natürlich unser Mond sind Objekte unserer Galaxis.

Mehr als 100, womöglich bis zu 300 Milliarden Sonnen leuchten in diesem Sternenrad und vermutlich mindestens ebenso viele Planeten kreisen verborgen darin. Der gigantische Durchmesser der Milchstraße von 100.000 Lichtjahren bedeutet, dass ein Lichtstrahl – der so schnell ist, dass er in einer Sekunde die Erde mehr als sieben Mal umrunden könnte – 100.000 Jahre benötigen würde, um sie komplett zu durchqueren.

Dieses Foto des Hubble-Weltraumteleskops zeigt die Galaxie NGC 7331, die im Sternbild Pegasus, rund 50 Millionen Jahren von uns entfernt, liegt. Zu sehen ist eine flache, nach vorne geneigte Scheibe, in der Spiralarme zu erkennen sind und unzählige Sterne in verschiedensten Farben leuchten. In den Spiralarmen leuchten hell strahlende, blaue Sterne, die jung und massereich sind. Daneben gibt es in den Spiralarmen rötlich leuchtende Zonen: die Geburtsstäten neuer Sterne. Im zentralen Bereich der Galaxie, etwas rechts oberhalb der Bildmitte sind gelbliche Sterne zu erkennen. Sie sind schon älter und nicht mehr so heiß. NGC 7331 ist eine typische Spiralgalaxie, so wie auch unsere Milchstraße. Von außen betrachtet, würde unsere Galaxis daher ganz ähnlich aussehen.
Rund 50 Millionen Lichtjahre entfernt, im Sternbild Pegasus, liegt die wunderschöne Spiralgalaxie NGC 7331, die dieses Hubble-Foto zeigt. In den Spiralarmen sind massereiche, junge, blaue Sterne zu erkennen sowie rötliche Zonen, in denen sich neue Sterne formen. Die gelblichen Regionen im Zentrum beherbergen vor allem ältere, kühlere Sonnen. Auch unsere eigene Milchstraße dürfte von außen betrachtet einen ähnlichen Anblick bieten

Überall in der Milchstraße liegen Neuanfang und Tod eng beieinander. Immer wieder werden junge Sonnen und Planetensysteme aus Gas- und Staubwolken geboren, und alternde Sterne vergehen in vor Gewalt strotzenden, farbenprächtigen Szenarien: Manche werfen ihre äußere Hülle wie einen alten Mantel ab – zu einem Planetarischen Nebel – und schrumpfen selbst zu Weißen Zwergen. Andere explodieren als Supernova und hinterlassen in ihrem Zentrum Überreste, die zu unfassbar schnell rotierenden Neutronensternen zusammenstürzen oder gar zu Schwarzen Löchern werden, denen nicht einmal mehr Lichtstrahlen zu entkommen vermögen.

Ein Sternenrad, das extrem langsam rotiert

In Hunderten von Jahrmillionen dreht sich die Sternenscheibe um ein von Staubwolken verhülltes Zentrum, in dem ein supermassereiches Schwarzes Loch verborgen ruht. Die weiter außen liegenden Sterne (darunter unsere Sonne) aber haben sich zu spiralförmigen, filigran strukturierten Armen angeordnet. Sie reisen gemeinsam um den Mittelpunkt der galaktischen Scheibe und doch ist jede dieser Sonnen in den riesigen Weiten des Alls weit von ihrer Nachbarin entfernt.

Wie ist das alles entstanden, wann nahm es seinen Anfang und warum hat sich diese erstaunliche Spiralstruktur herausgebildet?

Vor dem schwarzen Hintergrund des Alls zu sehen sind zahllose, winzige Milchstraßensysteme. Sie sehen kreisförmig, elliptisch oder wie längliche Stäbchen aus, leuchten in rötlichen, weißen oder bläulichen Farbtönen und bei einigen sind Spiralstrukturen zu erkennen. Das Bild wurde aus 2000 vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommenen Einzelfotos zusammengesetzt und zeigt Objekte aus einer Zeit vor bis zu 13,2 Milliarden Jahren. Die ersten Galaxien müssen also bereits wenige hundert Jahrmillionen nach dem Urknall entstanden sein, der vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand.
Aus einer Zeit vor 13,2 Milliarden Jahren stammt das Licht einiger der Galaxien, die auf diesem Extreme-Deep-Field-Foto des Hubble-Weltraumteleskops abgebildet sind. Bereits wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren hatten sich also erste Sternsysteme gebildet – auch unsere Milchstraße
Zu sehen ist eine riesige Ansammlung von Sternen, die punkt- oder kreisförmig erscheinen, in roten und weißlichen Farben leuchten und sich zur Bildmitte hin kugelförmig konzentrieren. Die Sonnen bilden den Kugelsternhaufen NGC 3201, aufgenommen vom 2,2-Meter-Teleskop der ESO/MPG auf La Silla in Chile. Die Sterne in einem solchen Haufen sind eher klein und haben eine extrem lange Lebensdauer – sie sind mindestens so alt wie die Milchstraße selbst. Kugelsternhaufen befinden sich außerhalb der Milchstraße und umkreisen sie in einem riesigen, kugelförmigen Raum, der „Halo“ genannt wird.
Kugelsternhaufen und die darin enthaltenen Sterne gehören zu den ältesten Himmelsobjekten. Sie umgeben unsere Milchstraße in einem riesigen kugelförmigen Raum, „Halo“ genannt, und stammen aus der Entstehungsphase der Galaxis. Das Foto zeigt den Kugelsternhaufen NGC 3201, aufgenommen vom 2,2-Meter-Teleskop der ESO/MPG auf La Silla in Chile
Das Bild zeigt eine von schräg oben zu sehende Galaxie mit schön ausgeprägten Spiralarmen. In der Zentrallinie der Arme sind vor allem rötliche Bereiche aus Gas- und Staubwolken mit jungen Sternen zu erkennen, daneben liegen Bereiche mit vielen helleren weißlichen und bläulichen Sternen. Die Spiralarme gehen von einem länglichen – balkenförmigen – Zentrum aus, in dem sich viele Sterne konzentrieren und das viel heller leuchtet als die Arme. Die Galaxie ist als NGC 2608 bekannt und wurde Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen.
Schön zu erkennen sind die Armstrukturen der Balkenspiralgalaxie NGC 2608 auf dieser Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops. Die Spiralarme gehen von einem in die Länge gezogenen, balkenförmigen Zentralbereich aus, so wie es auch bei der Milchstraße der Fall ist. Damit ähnelt NGC 2608 unserer eigenen Sterneninsel, ist allerdings etwas kleiner
Das Bild zeigt rechts oberhalb des Zentrums einen verwaschenen hellblauen Kreis, umgeben von weiteren hellblauen Punkten. Es handelt sich um die künstlerische Darstellung eines blauen Riesensterns und einiger weiterer blauer Sonnen. Der Stern befindet sich im Endstadium seines Lebens und wird bald als gigantische Supernova explodieren. Eine solche Explosion wurde im Jahr 2017 in der 65 Millionen Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie NGC 3938 beobachtet. Blaue Riesensterne leuchten so intensiv, dass sie ihren Brennstoff in wenigen Millionen Jahren verbrauchen. Auch die ersten Sterne in der Milchstraße vor vielen Jahrmilliarden waren blaue Riesen, die nur kurz lebten.
Diese künstlerische Darstellung zeigt einen blauen Riesenstern, mit rund 50-fach mehr Masse als die Sonne, wie er in der 65 Millionen Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie NGC 3938 existierte. Wegen seiner riesigen Masse verfeuert er seinen Brennstoff schnell und explodiert schließlich als Supernova. Auch die allerersten Sterne in der Milchstraße waren hell leuchtende blaue Riesen, die nur wenige Jahrmillionen Jahre überdauerten
Im Zentrum dieser computeranimierten Darstellung ist ein extrem greller, keisförmiger Lichtblitz zu erkennen: das explodierende Innere einer Supernova. Um diesen Lichtblitz herum sind helle gelbliche und rötliche Materiefetzen zu erkennen, die vom Zentrum wegfliegen – es ist die Hülle des explodierenden Sterns. Die Materie-Reste solcher Supernova-Explosionen vereinigen sich zu Gas- und Staubwolken, aus denen später neue Sterne entstehen können.
Sterne mit mehr als achtfacher Sonnenmasse explodieren am Ende ihres Lebenszyklus als Supernova und schleudern einen Teil ihrer Hülle ins All hinaus – Materie, aus der sich neue Sterne bilden können. Die Computer-Animation visualisiert die Explosion einer Supernova in der Milchstraße – ein sehr seltenes Ereignis, das zuletzt der Astronom Johannes Kepler im Jahr 1604 beobachtete
Auf diesem Bild sind rechts vom Zentrum zahlreiche junge, rötliche Sterne zu erkennen, während sich von links oben bis nach rechts unten ein bogenförmiges Arrangement von Staubwolken in zumeist rötlichen bis gelblichen, aber auch bläulichen Farbtönen hinzieht. Es handelt sich um Sternentstehungsbiet im Sternbild Carina, das vom Hubble-Weltraumteleskop mit seiner „Wide Field Camera 3“ im aufgenommen wurde. Da die Kamera mit Licht im nahen Infrarotbereich arbeitet, vermochte sie auch durch die Materiewolken hindurch zu blicken, die normalerweise die jungen Sterne verbergen.
Tausende junger Sterne, die sich in einer Gas- und Staubwolke im Sternbild Carina – 20.000 Lichtjahre von uns entfernt – gebildet haben, erstrahlen auf diesem Foto. Die eigentlich in Materiewolken verborgene Sterngeburtsstätte wurde vom Hubble-Weltraumteleskop mit seiner „Wide Field Camera 3“ im nahen Infrarotbereich aufgenommen und so sichtbar gemacht. Ständig werden in unserer Milchstraße neue Sonne geboren – und alte vergehen.
Zu erkennen ist eine große, wenig geordnete Ansammlung von Sternen, die sich in der Bildmitte konzentrieren und dort vorwiegend rötlich sind, aber auch weiter außen befinden, dort mehr bläulich oder weiß gefärbt. Es handelt sich um die Große Magellansche Wolke, eine Zwerggalaxie, die unsere Milchstraße begleitet, aber im Gegensatz zu dieser keine komplexe Struktur erkennen lässt. Wahrscheinlich sind die größeren Spiralgalaxien einst durch Fusionen solcher Zwerggalaxien entstanden. Aufgenommen wurde das Foto vom VISTA-Teleskop der ESO auf dem Cerro Paranal in Chile.
Die Große Magellansche Wolke ist eine von mehreren Zwerggalaxien im Umfeld der Milchstraße. Das Foto des VISTA-Teleskops der ESO auf dem Cerro Paranal in Chile zeigt ihre irreguläre Struktur, die sich deutlich von der geordneten Form eines Spiralnebels unterscheidet. Wahrscheinlich entstand auch die Milchstraße vor vielen Jahrmilliarden durch Fusion mehrerer Zwerggalaxien
Das Foto zeigt die Spiralgalaxie NGC 4565 genau von der Seite, mit Blick auf die Kante. Die dünne Scheibe erstreckt sich von links unten im Bild nach rechts oben und lässt viele dunkle Bereiche erkennen: Staubwolken, die sich vor allem in den Spiralarmen finden. Genau in der Mitte des Bildes – und der Galaxie – gibt es eine kugelähnliche Wölbung, in der sich besonders viele Sterne konzentrieren. Sie wird Bulge genannt. Bei vielen Sternsystemen befindet sich ein massereiches Schwarzes Loch in der Mitte dieses Gebildes – und damit im Zentrum der Galaxie.
Einen spektakulären Blick auf die Kante einer Spiralgalaxie bietet dieses Foto von NGC 4565. Gut zu erkennen ist die flache Struktur der Scheibe mit vielen dunklen Staubwolken in den Spiralarmen und vor allem der Bulge im Zentrum: Eine kugelähnliche Verdichtung, in der sich viele, zum Teil sehr alte Sterne versammeln und in deren Mitte sich bei den meisten Galaxien ein massereiches Schwarzes Loch befindet
Das Bild zeigt die Galaxie Centaurus A schräg von der Seite. Aus ihrem Zentrum schießen zwei keulenartig geformte Materie-Jets – einer nach oben links, der andere nach unten rechts – weit ins All hinaus. Zusammen sind sie länger sind als das Sternsystem selbst breit ist. Die Jets werden von einem massereichen Schwarzen Loch angetrieben, das sich im Zentrum der Galaxie befindet. Unsere eigene Milchstraße enthält ebenfalls ein zentrales Schwarzes Loch in seiner Mitte. Und wahrscheinlich hat es in frühen Zeiten ebenfalls ähnliche Gas-Jets ins All hinausgeschleudert.
Was auf diesem Bild keulenförmig oben und unten aus der Galaxie Centaurus A schießt, sind kosmische Jets, die vom zentralen Schwarzen Loch in dem Sternsystem angetrieben werden (das Foto wurde von ESO-Forschern aus mehreren Aufnahmen mit unterschiedlichen Instrumenten kombiniert). Auch unsere Milchstraße enthält ein massereiches Schwarzes Loch im Zentrum, das wahrscheinlich einst ebenfalls aktiv war und ähnliche Jets aussandte
Das Foto zeigt, etwas rechts von der Mitte, die Scheibe einer Spiralgalaxie genau von oben. Die Galaxie wird UGC 12128 genannt und ist im Sternbild Pegasus lokalisiert. Ihr zentraler Bereich, von dem die Spiralarme ausgehen, ist nicht rund, sondern in die Länge gezogen. Deshalb nennen Astronomen diesen Galaxientyp Balkenspirale. Zwei Drittel aller Spiralgalaxien gehören zum Typ Balkenspirale – auch unsere Milchstraße. Einige Wissenschaftler glauben, dass sich Balkenspiralen zu regulären Galaxien entwickeln können. Das Foto wurde vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen.
UGC 12158 im Sternbild Pegasus gilt als Paradebeispiel für eine Balkenspirale. Bei diesem Galaxientyp ist der zentrale Bereich, von dem die Spiralarme ausgehen, balkenförmig in die Länge gezogen, wie das Foto des Hubble-Weltraumteleskops gut erkennen lässt. Etwa zwei Drittel aller Spiralgalaxien – auch die Milchstraße – haben solche Balkenstrukturen. Manche Astronomen nehmen an, dass sich Balkenspiralen zu regulären Spiralgalaxien weiterentwickeln können
Dieses Foto zeigt intensiv leuchtende Materie-Strukturen vor allem in rötlichen Tönen, deren Gestalt an eine fliegende Möwe erinnert und die deshalb Möwennebel genannt werden. Es handelt sich um Wolken aus Staub, Wasserstoff, Helium und Spuren schwerer Elemente, die eine Brutstätte von Sternen sind. Neu entstandene, junge Sterne bringen mit ihrer Strahlung die Materiewolken zum Leuchten und bewirken so das farbenprächtige Spektakel.
Im Möwennebel im Sternbild Einhorn (Monoceros) werden Wolken aus Staub, Wasserstoff, Helium und Spuren schwerer Elemente zur Brutstätte für neue Sterne. Die Strahlung der jungen Sonnen ionisiert das umgebende Gas und bringt sie zum Leuchten, formt aber auch ihre Strukturen. So entsteht ein farbenprächtiges Himmelsgemälde
Zu sehen ist die Scheibe der Spiralgalaxie NGC 1068, die allerdings einen ungewöhnlichen Anblick bietet: Zu erkennen sind rotweiße, verwaschene Linien, die spiralförmig ins Zentrum des Sternsystems weisen. Es wirkt fast, als hätte jemand in einen riesigen Eimer weiße und rote Farbstreifen geschüttet und mit einem Quirl verwirbelt. Die Erklärung für das Bild des Spiralnebels: Forscher des Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) haben Messdaten der Magnetfelder der Galaxie über eine Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops projiziert. Das Bild lässt erkennen, dass die Magnetfelder insbesondere parallel zu jenen Bereichen der Spiralarme verlaufen, die reich an Staub, Gas und neugeborenen Sternen sind. Für die Wissenschaftler ist dadurch wahrscheinlich: Es sind Gravitationskräfte, die die Magnetfelder zusammenpressen und damit auch die Form der Spiralarme bstimmen.
Für dieses ungewöhnliche Bild der Galaxie NGC 1068 legten Wissenschaftler des Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) Messdaten der Magnetfelder über eine Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops. Zu erkennen ist, dass die Magnetfelder eng entlang der Spiralarme des Sternsystems verlaufen, insbesondere in Gebieten, die reich an Staub, Gas und neugeborenen Sternen sind. Für die Forscher sind das Hinweise, dass Gravitationskräfte – die auch das Magnetfeld zusammenpressen – die Struktur der Spiralarme prägen
Auf dem Foto zu sehen sind rote Wolken und Sterne der Großen Magellanschen Wolke. Das eigentliche Objekt, das Astronomen interessiert, befindet sich genau im Zentrum des Bildes: Zwei kleine Kreise, die Überreste einer im Jahre 1987 beobachteten Supernova-Explosion – aufgenommen im Jahr 2017, also 30 Jahre später. Supernova-Explosionen zeigen, wie dramatisch sich die Materie in unsere Milchstraße immer wieder wandelt und Neues hervorbringt.
1987, vor mehr als 30 Jahren, beobachteten Astronomen die Explosion der Supernova 1987a in der Großen Magellanschen Wolke. Als kleiner Doppelkreis im Zentrum des Fotos sind die Überreste der Explosion 30 Jahre später zu erkennen. Supernova-Explosionen sind nach menschlichen Maßstäben selten, aber sie gehören zur Geschichte unserer Milchstraße und markieren den permanenten Wandel, dem die Materie in unserer Galaxie unterworfen ist
Zu sehen ist ein Wirbel aus orangeroten Wolken, die sich um ein Zentrum drehen. Es sind Gas- und Staubwolken um den jungen Stern AB Aurigae, in denen sich wohl gerade ein Planet bildet. Das lesen die Astronomen aus einem kleinen Knick in der Wolke nahe dem Zentrum des Bildes heraus. Astronomen schätzen, dass es in der Milchstraße vielleicht ebenso viele Planeten wie Sterne gibt – oder sogar mehr. Das Bild wurde mit dem Instrument SPHERE des Very Large Telescope der ESO in Chile in polarisiertem Licht aufgenommen.
Das Bild zeigt eine Scheibe aus Gas und Staub um den jungen Stern AB Aurigae, in der wohl gerade ein Planetensystem entsteht. Der Knick nahe dem Zentrum könnte den Ort markieren, an dem sich gerade ein Planet formt. Das Bild wurde im polarisiertem Licht mit dem Instrument SPHERE des Very Large Telescope der ESO in Chile aufgenommen. Astronomen schätzen, dass die Milchstraße vielleicht ebenso viele Planeten wie Sterne beherbergt – oder sogar mehr
Das Foto zeigt unsere Sonne als großen gelben Ball mit zahlreichen, unregelmäßigen, mal helleren, mal dunkleren Strukturen darauf. Am Rand ist das Bild heller, so als würde es dort stärker leuchten und rings um den Ball sind verwaschene, strahlenartige Strukturen zu sehen, die von der Sonne weggerichtet sind. Das Bild hat die ESA-Sonde Solar Orbiter am 30. Mai 2020 im extremen ultravioletten Wellenbereich aufgenommen. Da das menschliche Auge kein Ultraviolett sehen kann, wurde das Foto gelb eingefärbt. Auf dem Bild sind feinste Strukturen zu erkennen, die den Astrophysikern bislang unbekannt waren. Mithilfe der Sonde hoffen die Forscher, unsere Sonne in Zukunft besser verstehen zu können. Unsere Sonne gilt als ein durchschnittlich großer Stern in der Milchstraßen. Sie existiert seit 4,5 Milliarden Jahren und wird noch lange weiterleuchten. Doch in einem Alter von rund zwölf Milliarden Jahren wird sie sich dramatisch wandeln und zu einem Roten Riesenstern werden.
Diese Bild der Sonnenoberfläche wurde am 30. Mai 2020 von der ESA-Sonde Solar Orbiter im extremen Ultravioletten aufgenommen und lässt bislang unbekannte Feinstrukturen erkennen. Die Astrophysiker hoffen, unseren Heimatstern mithilfe der Sonde besser verstehen zu können. Die Sonne gilt als durchschnittlich großer Stern, existiert seit 4,5 Milliarden Jahren und wird sich vermutlich im Alter von rund 12 Milliarden Jahren zu einem Roten Riesen entwickeln

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Henning Engeln ist Journalist und Buchautor, unter anderem arbeitet er für GEO.


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