Kooperationsprojekt: Gasverteilung in der Milchstraße

Kooperationspartner:

Dr. Peter Englmaier, Institut für Theoretische Physik, Universität Zürich, Schweiz

Dr. Martin Pohl, Department of Physics and Astronomy, Iowa State University, USA

Dr. Nicolai Bissantz, Fakultät für Mathematik, Ruhr-Universität Bochum

Problem aus der Praxis

Die Milchstraße ist eine typische Spiralgalaxie und die am genauesten untersuchte Galaxie des Universums. Aufgrund der Position des Sonnensystems im Milchstraßensystem sind viele Detailuntersuchungen nur in der Milchstraße möglich, während andere Galaxien für ausreichend genaue Beobachtungen zu weit entfernt sind. Es ist bekannt, daß sich die Sterne in der Milchstraße im Wesentlichen in einer Scheibe anordnen. Diese weist im zentralen Bereich eine balkenartige Verdickung auf, an die sich im äußeren Bereich „Spiralarme“ anschließen. Die Anhäufung vor allem junger, heller Sterne entlang der „Spiralarme“ führt zum charakteristischen Aussehen von Spiralgalaxien ähnlich der Milchstraße.

Untersuchungen der Milchstraße haben eine besondere Bedeutung für die Interpretation von Beobachtungen ferner, der Milchstraße ähnlicher Galaxien. Andererseits stellt die Position des Sonnensystems nahe der Mittelebene der Scheibe Astronomen auch vor besondere Probleme bei ihrer Untersuchung: Bestimmungen des Verlaufs der Spiralarme waren bisher immer unvollständig, insbesondere im Zentrum und jenseits davon, da in dieser Richtung direkte Beobachtungen im optischen Bereich durch Absorption des Lichts in der zentralen Milchstraße vereitelt werden. Mit einer neuen Methode ist es jetzt gelungen, diese Lücken in der Karte der Milchstraße zu schließen.

Mathematischer Beitrag

Die neue Karte der Spiralarmstruktur basiert auf Modellen der Massenverteilung und – daraus abgeleitet - der Gasdynamik in der Milchstraße. Um die Massenverteilung der Milchstraße zu bestimmen wurden Satellitenbeobachtungen der Milchstraße im nahen Infrarot ausgewertet. Diese geben aber aus naheliegenden Gründen nur eine zweidimensionale Projektion der Infrarotlichtverteilung in der Milchstraße an die Himmelskugel wieder. Daher sind zusätzliche Informationen wie Symmetrieeigenschaften der Massenverteilung in der Milchstraße und weitere Beobachtungen erforderlich, um daraus ein dreidimensionales Modell zu berechnen. Mathematisch kommen dazu Verfahren zur Lösung inverser Probleme zum Einsatz. Solche Probleme sind insbesondere dadurch charakterisiert, daß man anstrebt eine Größe (hier die dreidimensionale Struktur der Milchstraße) zu ermitteln, die man nicht direkt beobachten kann. Stattdessen wird sie mathematisch aus einer anderen, der Beobachtung zugänglichen Größe geschätzt, die über einen Abbildungsoperator mit der interessierenden Größe verknüpft ist.

Ist die Massenverteilung der Milchstraße bekannt, so kann mit Hilfe von Simulationen die Dynamik (d.h. die Bewegung des Gases) in dem daraus hervorgerufenen Gravitationspotential untersucht werden. Mit Hilfe eines solchen Modells der Gasbewegung kann nun – erneut durch Auswertung indirekter Beobachtungen - Form und Aufbau der Spiralarme ermittelt werden. Dazu benutzt man, daß das Gas in der ganzen Milchstraße mit Hilfe von Radioteleskopen beobachtet werden kann. Aus diesen Beobachtungen kann aufgrund der Doppler-Verschiebung des Lichts die Geschwindigkeit bestimmt werden, mit denen sich das Gas relativ zum Sonnensystem bewegt. Zum beobachteten Radiosignal in einer bestimmten Himmelsrichtung tragen Gaswolken aus den unterschiedlichsten Entfernungen von der Sonne bei. Mathematische Regularisierungsverfahren – ähnlich der Lösung des inversen Problems, das zur Bestimmung der Massenverteilung gelöst wurde – erlauben es nun, aus der Verteilung der Relativgeschwindigkeiten des Gases in den beobachteten Himmelsrichtungen auf die Verteilung der Gaswolken entlang all dieser Sichtlinien zu schließen. Trägt man die Ergebnisse dieser Rechnung in eine Karte der Milchstraße ein so erhält man eine Karte der Spiralarme.

Ergebnisse

Die Abbildung zeigt die Karte der Spiralarme in der Milchstraße, die mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens gewonnen wurde. Man kann zwei Spiralarme erkennen, die sich kurz innerhalb der Position des Sonnensystems in vier Arme aufspalten. Diese setzen sich dann bis zum Rand der Scheibe fort. Die Karte zeigt erstmals die Spiralstruktur in der ganzen Milchstraße.
Die Position des Sonnensystems wird durch den gelb-schwarzen Punkt oberhalb des Zentrums angedeutet.

Literatur

M. Pohl, P. Englmaier, N. Bissantz: 3D-Distribution of Molecular Gas in the Barred Milky Way, Astrophysical Journal, 677, Issue 1, 283-291 (2008)

P. Englmaier, M. Pohl, N. Bissantz: The Milky Way Spiral Arm Pattern. In: «Tumbling, Twisting, and Winding Galaxies: Pattern Speeds along the Hubble Sequence», E. M. Corsini and V. P. Debattista (eds.), Memorie della Società Astronomica Italiana, im Druck.

Erstellung einer vollständigen Karte der Gasverteilung in der Milchstraße

Problem aus der Praxis

Mathematischer Beitrag

Ergebnisse

Literatur

Berichterstattung in den Medien (Auswahl)