„Am anderen Ende der Milchstraße”

Mit einem Verbund aus Radioteleskopen haben Astronomen in die Spiralarme des Milchstraßensystems geblickt und den Abstand zu Hunderten von Sternen vermessen. Eines der untersuchten Objekte liegt von uns aus gesehen am anderen Ende der Milchstraße – rund 66 000 Lichtjahre entfernt, wie das Team nun in der Zeitschrift „Science“ berichtet. Im Interview erklärt der Erstautor Alberto Sanna vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, wie dieser außerordentliche Fund gelang und was die Beobachtungen über die Struktur unserer Galaxie verraten.

Welt der Physik: Sie vermessen die Struktur der Milchstraße mithilfe von Parallaxen. Wie funktioniert das genau?

Alberto Sanna: Es handelt sich hier um eine der ältesten und zugleich präzisesten Methoden, um Distanzen in unserer Milchstraße zu bestimmen. Wir betrachten hierzu die Stellung eines Sterns zu verschiedenen Jahreszeiten. Während sich die Erde um die Sonne dreht, verändert sich auch der Winkel, unter dem wir den fernen Stern sehen können. Die Distanz der Erde zur Sonne kennen wir. Aus den Winkelunterschieden können wir dann mittels elementarer Geometrie die Länge der Schenkel in diesem Dreieck bestimmen. Das Entscheidende an dieser trigonometrischen Bestimmung liegt darin, dass wir keine weiteren physikalischen Annahmen benötigen. Andere Methoden der Entfernungsbestimmung beruhen auf zusätzlichen Hypothesen und bringen deshalb zusätzliche Unsicherheiten in die Distanzmessungen. Oder sie funktionieren nur in bestimmten Bereichen der Milchstraße.

Prinzip der Entfernungsmessung

Wie genau können Sie die Entfernungen denn bestimmen?

Das hängt von der Entfernung ab und von den Beobachtungsbedingungen. Je weiter ein Objekt von uns entfernt ist, desto kleiner wird der Winkel, unter dem wir es zu verschiedenen Jahreszeiten beobachten können. Damit nimmt auch der Fehler überproportional zu. Um etwa sehr weit entfernte Sterne in Zehntausenden Lichtjahren vermessen zu können, benötigt man eine außerordentlich exakte Winkelmessung. Zum Glück liefert das Very Long Baseline Array – ein Verbund großer Radioteleskope – eine solche hohe Winkelauflösung. Mit diesem Instrument sehen wir so scharf, dass wir zwei Objekte auf dem Mond unterscheiden könnten, deren Abstand nur halb so groß wie eine Cent-Münze ist. Natürlich müssten diese Objekte noch im Radiobereich leuchten, damit wir sie messen können.

Und was haben Sie alles gefunden?

Wir haben einige Spiralarme unserer Galaxie untersucht und dabei mehrere Hundert schwere, junge Sterne genau vermessen können. Bei diesen Messungen ist uns jetzt auch ein besonderer Fang ins Netz gegangen: Uns ist die bislang weiteste exakte Distanzbestimmung zu einem Stern in der Milchstraße gelungen. Eines der untersuchten Objekte befindet sich von uns aus gesehen am anderen Ende der Milchstraße. Dieses Objekt liegt in einer Distanz von rund 66 000 Lichtjahren, wobei die Unsicherheit in der Entfernungsbestimmung etwa zehn Prozent beträgt. Zum Vergleich: Das galaktische Zentrum liegt etwa 27 000 Lichtjahre von uns entfernt.

Position von Erde und untersuchtem Stern im Milchstraßensystem

Die uns gegenüberliegende Seite der Milchstraße ist mit gewöhnlichen Teleskopen kaum zu beobachten, da sie hinter einem dicken Schleier aus Staub verborgen ist. Wie ist es Ihnen gelungen, einen Blick in diese Region zu werfen?

In der Tat ist das Zentrum der Milchstraße von riesigen Gas- und Staubwolken durchdrungen, die normales Licht verschlucken. Dadurch kennen wir unsere eigene Galaxie sehr viel schlechter als andere Galaxien, die wir in der Draufsicht analysieren können. Unsere Forschungsgruppe arbeitet aber nicht mit optischen, sondern mit Radioteleskopen. Radiostrahlung wird durch die galaktischen Staubwolken nur wenig gestört. Wir haben außerdem einen besonderen Effekt ausgenutzt: Junge schwere Sterne – von zehnfacher Sonnenmasse oder noch schwerer – leuchten besonders stark und sind häufig von einer dichten Wolke aus Molekülen umgeben. Später, im Lauf ihrer Entwicklung, blasen diese Sterne diese Molekülwolken hinaus ins All. Aber in der Frühphase nach ihrer Entstehung ist diese Wolke noch dicht und absorbiert das Licht ihres Sterns. Dabei senden insbesondere Wasser- und Methanolmoleküle eine intensive Strahlung aus, sogenanntes Maserlicht.

Woraus besteht dieses Maserlicht?

Hierbei handelt es sich im Prinzip um das Gleiche wie Laserstrahlung, nur dass die Frequenz der Strahlung im Mikrowellenbereich liegt. Wenn ein Stoff genügend Energie erhält, um bei einer charakteristischen Frequenz zum Leuchten angeregt zu werden, kann dies zu einer selbstverstärkten Emission führen. Genau das passiert bei Laserstrahlung. In den Molekülwolken um hochaktive junge Sterne passiert das aber auch im Mikrowellenbereich. Dadurch leuchten diese Wolken im Mikrowellenbereich bei einer bestimmten Frequenz besonders hell. Wir sehen mit unserer Methode also eigentlich gar nicht die Sterne selbst, sondern die Gaswolken in ihrer nahen Umgebung.

Was verraten diese Messungen über die Struktur der Milchstraße?

Wir können Regionen mit hoher Sternentstehungsrate untersuchen, in denen sich junge und schwere Sterne bilden. Diese Regionen befinden sich vor allem in den Hauptarmen unserer Galaxie. Erst seit wenigen Jahren wissen wir, dass sich auch unser eigenes Sonnensystem in einem Hauptarm befindet. Daran sieht man, dass die Strukturbestimmung unserer eigenen Galaxie sehr viel schwieriger ist als bei anderen Galaxien, deren Form wir sofort erkennen können. Der Stern am anderen Ende der Galaxie, den wir nun vermessen konnten, befindet sich ebenfalls in einem Hauptarm, dem sogenannten Scutum-Centaurus-Arm. Dieser ist nach den Sternbildern benannt, an denen wir seine Ausdehnung ausmachen können. Wir hoffen nun, mit unserer Methode in Zukunft noch viele weitere Objekte am anderen Ende der Milchstraße zu entdecken, unter anderem auch mit anderen Teleskopverbünden.