HI astronomy

Herzlich Willkommen zum Projekt: Die Milchstraße in Bewegung

Mit 800.000 km/h um das Zentrum der Milchstraße

Auf diese Seite finden Sie alle Information die Sie benötigen um die Rotationskurve der Milchstraße abzuleiten.

Neben den notwendigen Spektren unten auf dieser Seite sind auch Excel_Tabelle_Loesung.xlsx hier als Download verfügbar mit denen Sie interactiv mit Ihren Schüler:innen das Projekt angehen können.

Motivation

Mit rund 800.000 km/h umrundet unser Sonnensystem das Zentrum der Milchstraße. Doch die Geschwindigkeit der Sterne ist nicht überall gleich, sondern hängt von deren Entfernung zum galaktischen Zentrum ab. In diesem Experiment nutzen Sie die 21-cm Linie des neutralen atomaren Wasserstoffs um die Rotationsgeschwindigkeit und Struktur der Milchstraße zu vermessen.

Anleitung

Die Sterne fahren Karussell: Es ist ein wunderschöner Tag um mit einem Karussell zu fahren. Die Sonne scheint und sie hängen unbewegt in Ihrem Sitz und lassen Sie Ihre Füße baumeln. Doch sobald sich das Karussell zu drehen beginnt werden Sie nach außen und zudem immer stärker in den Sitz gedrückt. Die Ketten spannen sich. Diese halten Sie fest auf dem Karussell. Genau wie wir im Karussell, so drehen sich auch die Sterne um das Zentrum der Milchstraße. An der Stelle von Ketten hält die Schwerkraft die Sterne auf Ihrer Bahn. Die Sonne erreicht dabei eine ganz beachtliche Geschwindigkeit von rund 800.000 km/h. Doch sind alle Sterne gleich schnell unterwegs, oder sind einige schneller oder langsamer?

Geschwindigkeitskontrolle auf der Milchstraße: Um diese Frage zu beantworten müssen wir Messungen an verschiedenen Stellen in der Milchstraße durchführen. Das ist recht einfach mit einem Radioteleskop, das die 21-cm Linie des neutralen atomaren Wasserstoffs messen kann. Wasserstoff ist DAS Element im Universum. Alle Sterne bestehen zu 90% aus Wasserstoff, auch unsere Sonne. Etwas Wasserstoff ist aber noch nicht in den Sternen gebunden. Es befindet sich zwischen den Sternen, daher nennen wir es auch das interstellare Gas (Gas zwischen den Sternen). Die Mengen an interstellaren Gas ist heute immer noch so riesig, dass wir es leicht messen können. Wir interessieren uns aber nicht für die Gasmenge, sondern für die Geschwindigkeit mit der sich das Gas, gemeinsam mit den Sternen, um das Zentrum der Milchstraße dreht. Doch wie messen wir die Geschwindigkeit? Stellen Sie sich ein hupendes Auto vor, das an Ihnen vorbeirast. Was passiert? Nähert sich das Auto Ihnen, so wird die Hupe lauter aber ihr Ton auch höher. Entfernt sich das Auto wieder so wird die Hupe leiser ihr Klang aber auch tiefer. Die Änderung der Tonhöhe wird durch den Doppler Effekt beschrieben. Kommt das Auto auf Sie zu, so werden die zeitlichen Abstände kürzer, mit der die Schallwellen Ihr Ohr erreichen. Entfernt sich das Auto, so werden deren Abstände größer. Mit einem Radargerät misst die Polizei die Geschwindigkeit des Autos. Dazu nutzt das Radargerät auch den Doppler Effekt. Das Radargerät macht aus der Tonhöhe also eine Geschwindigkeit. Unser Radioteleskop macht genau das gleiche. Unsere Aufgabe besteht nun ganz einfach darin, herauszufinden, welche die höchste Geschwindigkeit bei einer Messung ist. Dazu betrachten wir uns ein sogenanntes Spektrum. Ein Spektrum zeigt Ihnen welche Geschwindigkeit wie oft gemessen wurde. Die Spektren verändern sich von Position zu Position. Das interessiert uns hier jedoch nicht. Wir konzentrieren uns allein auf die höchste positive Geschwindigkeit im Spektrum. Mit dem bloßen Auge können wir diese ziemlich gut bestimmen, da unser Auge sehr gut das Signal von dem statistischen Rauschen unterscheiden kann. Markieren Sie z.B. mit der Computer-Maus die Stelle im Spektrum, bei der Sie sehen, dass das Rauschen kleiner ist als der Messwert der Geschwindigkeit ist. Notieren Sie sich diesen Zahlenwert, neben dem Ort der Messung, dies ist der l-Wert.

Wir zeichnen die Rotationskurve einer ganzen Galaxie: Für jeden l-Wert finden Sie in der Tabelle den entsprechenden Wert mit dem Abstand des Messpunktes vom Zentrum. Zudem müssen Sie noch die abgelesene Geschwindigkeit ein bisschen korrigieren, denn unser Radioteleskop bewegt sich selbst ja auch mit der Erde und der Sonne um das Zentrum der Milchstraße. Daher müssen wir den abgelesenen Wert mit dem Korrekturwert vkorr addieren. Tragen Sie nun auf der x-Achse den Abstand von Zentrum und auf der y-Achse die korrigierten Geschwindigkeiten auf, dann haben Sie das Ergebnis Ihres Experiments vor Augen, die Rotationskurve der Milchstraße. Nun sehen Sie wie die Milchstraße sich Seite 5 von 6 dreht. Nur nahe am galaktischen Zentrum dreht sich die Milchstraße wie ein Karussell. Je weiter Sie außen sitzen umso höher ist Ihre Geschwindigkeit. In den Außenbereichen der Milchstraße bleibt die Geschwindigkeit der Milchstraße gleich hoch. Auch unsere Sonne dreht sich mit dieser gleichbleibenden hohen Geschwindigkeit um das Zentrum. Warum das so ist, erklären die Astrophysiker heute mit der sogenannten Dunklen Materie. Aber das ist ein anderes Experiment.

Spektren

Die folgenden Spektren sind mit einem kleinen Radioteleskop von nur 2,3-m Durchmesser von Studierenden der Universität Bonn im November 2022 gewonnen worden. Selbst solch kleine Radioteleskope erlauben es die Milchstraße als Ganzes zu erforschen. Es sind nicht immer die größten Teleskope der Welt nötig um grundlegendes Wissen zu gewinnen.