Die Rotation
der Milchstraße
Die Rotation der Galaxis ermöglicht es, die Masse und die Massenverteilung in der Milchstraße zu bestimmen. Interstellare Wolken und Sterne bewegen sich um das galaktische Zentrum.
Die Rotationsgeschwindigkeiten lassen sich durch den
Dopplereffekt bei der 21cm-Strahlung von Wasserstoff ermitteln. Die
Rotationsgeschwindigkeit nimmt aber nach außen nicht ab wie in unserem
Sonnensystem, sondern folgt einer komplizierteren Kurve, da die Masse nicht im
Zentrum konzentriert ist. Die Massenverteilung kann ebenfalls mit der
21cm-Strahlung untersucht werden. Die Umlaufsgeschwindigkeit nimmt zunächst mit
der Entfernung zum Zentrum zu, da sich nun mehr Masse innerhalb der Umlaufsbahn
befindet. Das Maximum der Geschwindigkeit liegt bei 6 kpc, nach außen hin nimmt
die Geschwindigkeit dann ab. Im Bild ist die typische Geschwindigkeitsverteilung
in einer Galaxie gezeigt. Diese bleibt bei großen Entfernungen zum
Zentrum konstant.
Die Masse der Galaxis lässt sich aus der
Rotationsgeschwindigkeit der Sonne von 220 km/s berechnen. Die Sonne braucht für
einen Umlauf 240 Millionen Jahre und hat das galaktische Zentrum bisher 25mal
umrundet. Mit dem Kepler-Gesetz kann nun die Masse innerhalb der
Sonnenumlaufbahn, bei einem Abstand von 8500 pc zu 1011 Sonnenmassen
bestimmt werden. Die gesamte Masse der Galaxie bis zum Rand von etwa 15 kpc
Entfernung beträgt rund 1,5.1011 Sonnenmassen. Die
gesamte Leuchtkraft aller Sterne beträgt aber nur 1010
Sonnenleuchtkräfte. In der Milchstraße ist daher etwa zehnmal so viel Materie
als nichtleuchtende Materie vorhanden. Dieses muss nicht auf "dunkle
Materie" hindeuten. Man schließt nur daraus,
dass
die durchschnittlichen Sterne nur etwa halbe Sonnenmasse besitzen und daher
merklich leuchtschwächer sind. Die gleichbleibend hohe Geschwindigkeit zeigt
an, dass die Massenverteilung nicht so konzentriert sein kann wie die Verteilung
der Leuchtkraft. Im Halo der Galaxie steckt daher zusätzliche Masse, erst bei
50 kpc bricht die Verteilung ab. Diese Feststellungen sind erste stichhaltige
und unbestreitbare Beweise für die Existenz "dunkler Materie". Bei
vielen Spiralgalaxien hat man die Rotationsgeschwindigkeiten gemessen, und bei
allen zeigt sich die Dominanz der dunklen Materie. Die Rotationsgeschwindigkeit einer Spiralgalaxie
ist in großen Entfernungen vom Zentrum konstant, die
Galaxie
ist in einen Halo dunkler Materie eingebettet.
Die Bögen
auf diesem Bild sind Gravitationslinsenbilder
entfernter Hintergrundgalaxien. Die Verteilung der Bögen zeigt die
Verteilung dunkler Materie an.
