Kosmische Choreografie

Radioastronomen messen erstmals den Tanz einer benachbarten Galaxie und bestimmen präzise deren Entfernung

Mit einer Armada von Radioteleskopen haben sich Astronomen einen 80 Jahre lang gehegten Traum erfüllt und erstmals die Bewegung einer benachbarten Galaxie am Himmel direkt nachgewiesen. Die Wissenschaftler hoffen, mit diesen Messungen das zukünftige Schicksal unseres eigenen Sternsystems, der Milchstraße, vorherzusagen. Die Forscher bestimmten außerdem die Entfernung der Galaxie M33 sehr präzise zu 2,4 Millionen Lichtjahren. Geleitet hat das Team Andreas Brunthaler, während er am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie Mitglied der „International Max Planck Research School for Radio and Infrared Astronomy“ war (Science, 4. März).

Galaxien bestehen aus Milliarden von Sternen sowie Staub- und Gaswolken und formen oftmals große Ansammlungen. Unsere Milchstraße gehört zu einem kleineren Galaxienhaufen, der Lokalen Gruppe. Unter dem Einfluss der Gravitation umkreisen sich die Mitglieder dieser Galaxienfamilie und führen dabei einen galaktischen Tanz auf, der mehrere Milliarden Jahre dauert. Wegen der riesigen Abstände zwischen den Galaxien erscheinen deren Bewegungen sehr langsam, gleichsam wie in extremer Zeitlupe. Daher sind ferne Milchstraßensysteme für den Beobachter am Himmel üblicherweise statische Objekte.

In den 1920er-Jahren hatte der niederländische Astronom Adriaan van Maanen jedoch verkündet, die Drehungen und Bewegungen von so genannten Spiralnebeln – wie Galaxien zu der Zeit genannt wurden – gemessen zu haben. Der amerikanische Forscher Edwin Hubble konnte jedoch kurz darauf diese Behauptung im Rahmen einer berühmten Debatte über die Größe des Universums widerlegen. Er zeigte, dass die „Spiralnebel“ eigenständige Galaxien sind – und viel zu weit von uns entfernt, um deren Dynamik mit den damals verfügbaren astronomischen Instrumenten aufzuspüren.

Genau das ist jetzt einem internationalen Team mit präzisen Radiobeobachtungen gelungen. Die Forscher haben die Bewegung von Wasserdampfwolken in der nahe gelegenen Galaxie M33 über einen Zeitraum von drei Jahren verfolgt. Der Wasserdampf verhält sich wie ein natürlicher Laser, der aber Radiowellen aussendet. Das Ergebnis der Messungen: Die Galaxie „tanzt“ 100-mal langsamer als von van Maanen behauptet. „Mehr als 80 Jahre später ist damit der Traum des niederländischen Astronomen Realität geworden – allerdings anders, als er sich das vorgestellt hat“, sagt Andreas Brunthaler. Er gehörte der Gruppe ebenso an wie Heino Falcke, der inzwischen als Professor für Astronomie in den Niederlanden lehrt, sowie Christian Henkel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Weiter im Team waren Mark Reid und Lincoln Greenhill vom Harvard Center for Astrophysics (USA).

Die Messungen zeigen, dass die Wasserdampf-Regionen zusammen mit der Galaxie pro Jahr nur um etwa 30 Mikrobogensekunden am Himmel wandern. Die Messgenauigkeit betrug 5 Mikrobogensekunden jährlich. Zum Vergleich: Aus einer Distanz von 500 Kilometern ließe sich damit noch eine Verschiebung von 0,01 Millimeter pro Jahr entdecken. „Mit der von uns erreichten Präzision könnten wir von Bonn aus sehen, wenn sich in Berlin etwas um Haaresbreite bewegt“, sagt Heino Falcke, der die Arbeit in Bonn betreute. Für ihre Beobachtung schalteten die Astronomen mit Hilfe der interkontinentalen Radiointerferometrie („Very Long Baseline Interferometry“, VLBI) tausende Kilometer voneinander entfernte Radioteleskope zu einem Riesenteleskop zusammen.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich M33 mit 190 Kilometer pro Sekunde um unsere Milchstraße und in Richtung unserer Schwestergalaxie, dem Andromedanebel, bewegt. Auch wenn M33 auf dieses System zurast, wird sie es knapp verfehlen. Die Forscher hoffen, dass sich mit diesen Resultaten sowohl die Entstehungsgeschichte der Milchstraße als auch deren zukünftige Entwicklung besser verstehen lassen. So wäre es nach derzeitigem Kenntnisstand durchaus möglich, dass die Milchstraße in einigen Milliarden Jahren mit der Andromedagalaxie kollidieren und verschmelzen wird.

Dank ihrer Beobachtungstechnik haben die Wissenschaftler aus den gemessenen Daten aber auch die Entfernung der Galaxie M33 auf rein geometrischem Weg direkt bestimmt und das Universum in unserer Nachbarschaft neu vermessen. Demnach ist M33 etwa 2,4 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Genaue Entfernungsbestimmungen stellen grundsätzlich ein großes Problem in der Astronomie dar. Weil nicht einfach ein Maßband durch das Weltall gelegt werden kann, müssen die Forscher komplizierte Methoden benutzen, die jedoch häufig mit unbekannten Fehlern behaftet sind. Daher ist es wichtig, direkte geometrische Entfernungen zu ermitteln. Diese Messungen dienen dazu, die extragalaktische Entfernungsskala neu zu eichen – und mit jedem weiteren Jahr des Experiments werden die Resultate genauer.

Exakte Entfernungen und Bewegungen werden in der Astronomie außerdem dazu genutzt, die Masse von Objekten abzuschätzen. Frühere Beobachtungen haben gezeigt, dass der größte Teil des Universums in einer mysteriösen dunklen Materie steckt. Die Astronomen erwarten, mit weiteren Beobachtungen von Galaxienbewegungen unsere Milchstraße und ihre Nachbargalaxien genau zu „wiegen“. Das wird zeigen, wie viel dunkle Materie es im lokalen Universum gibt.

„Es ist immer besonders erfreulich, wenn ein Student schon im frühen Stadium seiner wissenschaftlichen Karriere derart fundamentale Forschungsergebnisse erzielt. Nicht zuletzt tragen solche Erfolge auch zum Ansehen und zur Attraktivität der Ausbildung in unserer Research School bei“, sagt Anton Zensus, Geschäftsführender Direktor am Bonner Max-Planck-Institut und Sprecher der International Max Planck Research School for Radio and Infrared Astronomy, über Brunthalers Erfolg.