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Der Himmel über La Palma, von Klaus Fuhrmann


Galaxien

III. Die Milchstraße - das Geheimnis des Bärenhüters


Wir haben uns schon einmal mit ihm beschäftigt, vor genau einem Jahr, als wir die Eigenbewegung der Sterne näher kennengelernt haben. Sein Durchmesser beträgt etwa 35Millionen Kilometer und er ist der vierthellste Stern am Nachthimmel. Hell blinkend erkennt man ihn derzeit in Richtung Westen am Abendhimmel, und nur der Planet Jupiter, der etwa auf gleicher Höhe, aber etwas weiter südlich steht, ist derzeit noch etwas heller. Sein Name: Arkturus. Er ist der Hauptstern im Sternbild BOOTES oder auch "Bärenhüter" genannt.

Daß dieser Stern vielleicht eine besondere Bedeutung haben könnte, mag bereits Edmund Halley überlegt haben, als ihm vor nahezu 300 Jahren auffiel, wie Arkturus seine Himmelsposition gegenüber 2000 Jahre alten Sternkarten deutlich verschoben hatte.

Mit der genauen Messung dieser Eigenbewegung der Sterne, sowie der Messung ihrer Radialgeschwindigkeit, kannte man dann zu Beginn des vorigen Jahrhunderts die Raumbewegung vieler heller Sterne, von denen sich einige in der Tat mit großer Geschwindigkeit bewegen. 100 Kilometer pro Sekunde und mehr erreichen manche von ihnen. Keiner ist allerdings so hell wie Arkturus und fast alle sind auch weiter entfernt als dieser. Und da die Sterne ja generell sehr weit weg sind, wird ihre Bewegung am Himmelszelt mit bloßem Auge betrachtet - auch im Verlaufe eines Menschenlebens - kaum auffällig.

Was hat es nun aber mit diesen "Hochgeschwindigkeitssternen" auf sich? Um die wahre Raumbewegung eines Sterns genau bewerten zu können, braucht man neben der Eigenbewegung und der Radialgeschwindigkeit auch eine zuverlässige Entfernungsbestimmung. Für die Beurteilung der gemessenen Eigenbewegung eines Sterns am Nachthimmel macht es nämlich einen Unterschied, ob dieser zum Beispiel 10 oder 100 Lichtjahre entfernt steht. Das ist genau wie mit einem Automobil, das man aus großer oder geringer Entfernung fahren sieht: gleiche Geschwindigkeit vorausgesetzt, scheint sich dieses in großer Entfernung nur langsam zu bewegen.

Genaue Entfernungsbestimmungen für einige 10000 Sterne gibt es allerdings erst seit dem Jahr 1997, also gerade erst einmal seit 10 Jahren! Davor hatten viele Entfernungsbestimmungen eine Unsicherheit von 100% - und nur für wenige ganz nahe Sterne waren diese Werte besser bekannt. Hierzu ein Beispiel: wenn es von La Palma nach Deutschland etwa 3000 km sind, so könnte man aber auch einen Wert von 6000 km messen, wenn die genauesten Meßmethoden immerhin einen Fehler von 100% haben. Ärgerlich wird es spätestens dann, wenn man von einem 4-Stunden Flug ausgeht, dann aber - wegen der ungenauen Entfernung - praktisch doppelt so lange unterwegs ist. Heute kennt man die Entfernungen vieler Sterne mit etwa 5% Genauigkeit, d.h. um im Bild zu bleiben, die Entfernung oben genannter Strecke von 3000 km hätte jetzt nur noch eine Unsicherheit von etwa 150 km.

Diese Präzision in der Entfernungsbestimmung der Sterne gibt es, wie gesagt, aber erst seit 10 Jahren. Um so bemerkenswerter ist nun der Umstand, daß bereits in den 20er Jahren des vorigen Jahrhunderts ein niederländischer Astronom dem Geheimnis des Bärenhüters einen gewaltigen Schritt auf den Pelz rückte.

Jan Hendrik Oort war damals ein junger Doktorand, der sich dem Studium der "Schnelläufer", wie man die Hochgeschwindigkeitssterne auch nannte, verschrieben hatte. Zu dieser Zeit gab es nur für eher helle Sterne einigermaßen gut bestimmte Entfernungen, also auch nur mäßig gut bekannte Raumbewegungen. Dennoch gelang Jan Oort - wie wir heute wissen - als erstem die bahnbrechende Erkenntnis, daß es sich bei den von ihm untersuchten Schnelläufern um eine besondere Klasse von Sternen handeln mußte. Genauso gut hätte man auch zu dem Schluß kommen können, daß einfach alle Sterne unterschiedliche Raumbewegungen besitzen. Manche wären langsam, manche schnell, und manche besonders schnell unterwegs. Jan Oort hingegen hielt aber die Schnelläufer für Objekte "of probably different origin", wie er damals schrieb, d.h. für Objekte anderen Ursprungs.

"Na gut, seine Interpretation der Daten", wird sich man einer damals vielleicht gedacht haben. Für nahezu zwei Jahrzehnte wurden Oort's Erkenntnisse praktisch nur "abgespeichert" und erhielten erst im Jahre 1944 einen gewaltigen Schub, als der deutsche Astronom Walter Baade in der benachbarten Andromedagalaxie die Existenz zweier Sternpopulationen entdeckte.

Walter Baade war 1931 nach Kalifornien ausgewandert, weil er dort weitaus bessere Beobachtungsbedingungen vorfand, als an seinem Heimatinstitut in Hamburg. Auch waren die Teleskope hier weitaus größer als in Deutschland, so daß man tiefer in den Raum blicken konnte. Mit dem Angriff der Japaner auf Pearl Harbor begann dann 1941 auch für Amerika der Zweite Weltkrieg und viele von Baade's Kollegen - so auch Edwin Hubble - wurden für Kriegsaufgaben eingesetzt. Als Deutscher war Baade in dieser Zeit gewissermaßen interniert. In der Praxis bedeutete das aber, daß er sich auf dem quasi verwaisten Mount Wilson Observatorium ganz um seine Forschung kümmern konnte. Zudem hatten die Behörden an der amerikanischen Westküste große Bedenken vor weiteren Angriffen der Japaner und so gab es für das in der Nähe gelegene Lichtermeer Los Angeles in jener Zeit des Nachts Verdunkelungsvorschriften.

Das waren also bezüglich der Beobachtungsbedingungen geradezu paradiesische Verhältnisse und Walter Baade verstand es diese "Chance" zu nutzen. Nacht für Nacht verbrachte er am großen 2.5 Meter Mount Wilson Teleskop mit seinen Beobachtungen und machte stundenlange Belichtungen von Andromeda und ihren beiden Begleitern (siehe Abbildung 1 vom Aug-2007).

Am Ende dieser astronomischen Anstrengungen stand die Erkenntnis, daß unsere Nachbargalaxie aus zwei Sternpopulationen aufgebaut ist, und Walter Baade erinnerte sich sehr wohl, daß Jan Oort gleiches für die heimatliche Milchstraße erhalten hatte.

Jetzt waren die Sternpopulationen "das Thema" und gipfelten Ende der 1950er Jahre in einer Tagung, die Ordnung in das Schema bringen sollte. Leider trugen manch neuere Erkenntnisse allerdings eher zur Verwirrung bei und so diskutierte man gleich fünf Populationsgruppen, die "extreme Population I", die "ältere Population I", die "intermediäre Population II", usw.

Das mag vor allem jüngere Astronomen eher abgeschreckt haben. Jedenfalls wirkte vieles nicht wirklich überzeugend und viel zu schematisch, oder, wie es ein Teilnehmer dieser Tagung später beschrieb: "We thought at the time the whole thing was in the air … [but] … we really did not know what was going on at that point …"

Die Existenz der Sternpopulationen wollte niemand mehr bestreiten, aber von einem echten Verständnis dieser war man nach wie vor noch weit entfernt…

Astrophysik auf La Palma

Abbildung 1: Die Väter der stellaren Populationen in Galaxien. Walter Baade (links) und Jan Oort im Jahre 1938 auf einer Tagung in Stockholm. Zu diesem Zeitpunkt hatte Jan Oort schon konkrete Hinweise für die "Zweiklassen-Gesellschaft" der Milchstraße gefunden. Für die uns benachbarte Andromeda-Spiralgalaxie sollte dies Walter Baade erst noch in den bevorstehenden Kriegsjahren am Mount Wilson Observatorium in Kalifornien gelingen. (Aufnahme: Leiden Observatorium)


Wieder vergingen 20 Jahre als 1983 eine Arbeit erschien, in der zwei junge Astronomen ihre Ergebnisse von Sternzählungen der Milchstraße einer bestimmten Region auf der Südhalbkugel vorstellten. Ihre Messungen ergaben, daß die Dichte der Sterne, sobald man das Band der Milchstraße verließ, nicht schlagartig auf Null zurückging, sondern eher langsam abnahm, wie wenn die Milchstraße aus zwei Komponenten aufgebaut wäre. Die eine, gut sichtbare und auch dominante, Komponente war demnach fast ausschließlich auf eine flache Scheibe konzentriert, die andere, wohl nur wenige Prozent ausmachende Komponente, sollte sich aber viel tiefer in den Raum hinein verteilen.

Für diese Ergebnisse gab es aber zunächst viel Schelte von Teilen des "Establishments" und die jungen Forscher mußten einiges aushalten, wenn sie an ihrer Arbeit festhalten wollten. Zum Glück ließen sie sich aber nicht gleich einschüchtern, und bereits Ende der 1980er Jahre wurden ihre Erkenntnisse von vielen Kollegen sehr ernst genommen.

Heute wissen wir, daß die hier vorgestellten beiden Komponenten der Milchstraße praktisch die Wiederentdeckung der beiden von Jan Oort bereits in den 1920er Jahren propagierten "Zweiklassen-Gesellschaft" der Sterne war.

In der Zwischenzeit hatte die Astrophysik aber gewaltig dazu gelernt. Zudem gab es jetzt auch noch größere Teleskope und vor allem den Ersatz der Photoplatten durch moderne CCD Detektoren mit 80% statt nur 1% Lichtausbeute. Die Entwicklungswege der Sterne - so wie wir ihn für die Sonne bereits im letzten Jahr ausführlich skizziert haben - waren nun auch weitestgehend verstanden und so wurde sehr schnell klar, daß man es bei Arkturus und seinesgleichen mit extrem alten Sternen zu tun hatte.

Die beiden Sternpopulationen waren also alte und junge Sterne und die Schnelläufer alles andere als schnell, sondern genau genommen langsam. Mit unserer Sonne gehören wir der Population I an, gehören also zu der jungen Klasse von Objekten. Fast alle Sterne, die man mit bloßem Auge am Nachthimmel sieht, gehören dazu. Wie eine Flüssigkeit in einer Wanne, die man in Bewegung versetzt, bewegen sich diese mehr oder weniger einheitlich in derselben Richtung um das Zentrum der Milchstraße. Mehr als 200 Kilometer pro Sekunde bewegen wir uns so mit unserem Sonnensystem und brauchen dennoch etwa 200 Millionen Jahre für einen Umlauf um das Milchstraßenzentrum.

Und was ist nun mit der Population II, den alten Sternen? Die laufen nicht auf Kreisbahnen um die Milchstraße, sondern auf eher elliptischen Bahnen. Diese sind also ziemlich gestreckt und die Population II Sterne nehmen daher auch nicht mit der gleichen Geschwindigkeit an der allgemeinen Raumbewegung der vielen Population I Sterne teil. Das kann man mit Bahnreisenden vergleichen, die jemanden an einer Bahnschranke stehen sehen. Bezogen auf die Bahnschranke, beziehungsweise auf die Umgebung, ist die Person an der Bahnschranke praktisch unbeweglich. Bezogen auf die Bahnreisenden aber mit einer großen Relativgeschwindigkeit "unterwegs". Es kommt also immer auf den Standpunkt an. Solange man nicht wußte, daß die Sonne und all die anderen Population I Sterne sehr schnell um das Milchstraßenzentrum laufen, hielt man die eigentlich langsamen Population II Sterne für die "Schnelläufer". Heute wissen wir also, es ist genau anders herum.

Wie haben nun bereits erwähnt, daß die Population II Sterne eine alte Population von Sternen repräsentieren. Aber wie alt sind nun Sterne wie Arkturus? Die Antwort, die sich derzeit abzeichnet, lautet: mindestens 12 Milliarden Jahre. Das reicht bereits sehr dicht an das Alter des Universums, das derzeit mit etwa 14 Milliarden Jahren veranschlagt wird, heran. Das heißt somit nichts anderes, als daß Arkturus und die Population II Sterne praktisch "unmittelbar" nach dem Urknall auf der Bildfläche erschienen, also, die Geburt der Milchstraße "nur" wenige hunderte Millionen Jahre nach dem Urknall stattgefunden haben sollte. Geht man also von einem Alter von 14 Milliarden Jahren für das Universum aus, und läßt die Milchstraße nach weiteren 500 Millionen Jahren entstehen, so hätte diese nicht weniger als 96% des Alters des Universums.

Aber warum ist das nun ein Widerspruch zur hierarchischen Strukturbildung von Galaxien, den wir im letzten Monat erwähnt hatten? Die meisten der hierzu relevanten Beobachtungen stammen erst aus den letzten 10 Jahren und werden im nächsten Monat näher vorgestellt werden.

Bis dahin, werfen Sie doch einmal abends Richtung Westen einen Blick auf Arkturus. Er ist wie gesagt uralt und wird als jetziger Roter Riese astronomisch gesehen schon bald nicht mehr da sein. Aber keine Sorge, es dauert schon noch einige Millionen Jahre, bis er zum Weißen Zwerg wird…



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