Symmetronen: Mysteriöse Wand hinter der Milchstraße entdeckt

Milchstraße und eine blaue Wand

Forscher vermuten, dass zwischen Galaxien riesige unsichtbare Strukturen existieren. Und die bestehen aus etwas, das die Physik völlig auf den Kopf stellt. Was es mit diesen kosmischen Wänden und den sogenannten Symmetronen auf sich hat.

Astronomen haben ein Problem. Und dieses Problem betrifft unsere Heimatgalaxis, die Milchstraße. Die Milchstraße ist eine Ansammlung von mindestens 200 Milliarden Sternen, einer davon ist unsere Sonne. 

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Unsere Galaxis ist nicht allein. Sie wird begleitet von einer Menge Zwerggalaxien. Wobei das Präfix “Zwerg” in dem Fall ein bisschen irreführend ist, denn diese Zwerggalaxien besitzen immer noch mehrere Millionen Sterne. Diese Zwerggalaxien sind durch die Schwerkraft an die Milchstraße gebunden und weichen niemals von unserer Seite.

Lambda-CDM-Modell und Berechnung der Bewegung von Zwerggalaxien

Die meisten Rechenmodelle besagen, dass solche Zwerggalaxien wie ein Schwarm Wespen unkontrolliert um unsere Galaxie fliegen müssten. Das sogenannte Lambda-CDM-Modell ist ein Modell, dass die Entwicklung des Kosmos seit dem Urknall beschreibt. Gemäß dieses Modells müssten sich Zwerggalaxien wie Wespen verhalten und wahllos in verschiedenen Bahnen um ihre Wirtsgalaxie herumkreisen. 

Jetzt kommt das Problem der Astronomen: Die meisten Zwerggalaxien verhalten sich nicht wie vom Modell errechnet. Kleine Galaxien, die von größeren Galaxien eingefangen werden, ordnen sich meist in dünnen, flachen Ebenen an, fast wie die Ringe des Saturns, während sie nach dem Modell eigentlich in chaotischen Bahnen um ihre Wirtsgalaxien herum verteilt sein sollten. Mit anderen Worten: Viele Zwerggalaxien halten sich nicht an das kosmologische Standardmodell und pfeifen komplett auf die Regeln der Physik.

Darstellung von Zwerggalaxien der Milchstraße
Viel los: Die Zwerggalaxien um die Milchstraße

Die Lösung für das Satelliten-Ebenen-Problem

Das wurmt die Astronomen schon lange und hat sogar einen eigenen Namen: Das Satelliten-Ebenen-Problem. Doch nun könnten wir die Antwort für das frustrierende Satelliten-Ebenen-Problem haben und diese Antwort hat es in sich: Sie beinhaltet unsichtbare Wände im Kosmos und ganz neue Elementarteilchen, die kein Teil der Standardphysik sind. 

Entwickelt haben diese Antwort zwei Forscher der Universität Nottingham, die sagen: “Wir wissen, dass wir neue Teilchen brauchen, weil wir dunkle Materie und dunkle Energie haben, und deshalb vermuten wir, dass wir unserem Standardmodell neue Teilchen hinzufügen müssen, um diese Dinge zu erklären.” 

Was haben Dunkle Energie und Dunkle Materie damit zu tun?

Dunkle Energie, Dunkle Materie – diese Begriffe müssen wir klären, bevor wir die mysteriösen galaktischen Strukturen verstehen können. Fangen wir mit der Dunklen Energie an: Man denkt, dass die Expansion des Weltraums nicht für immer weiter gehen kann und irgendwann mal nachlassen muss, oder? Denn je länger der Urknall her ist, desto mehr schwächt sich seine Energie ab und desto langsamer müsste der Weltraum wachsen und irgendwann dann sogar wieder schrumpfen. Wie ein Luftballon, in den einmal heftig reingepustet wird und irgendwann ist im wahrsten Sinne des Wortes die Luft raus.

Tja, Pustekuchen. Der Weltraum wird nicht langsamer. Er wird immer schneller immer größer. Also muss es irgendeine weitere Kraft neben der ursprünglichen Energie des Urknalls geben, die den Kosmos zum wachsen bringt. Und da niemand einen blassen Schimmer hat, was das für eine Kraft sein könnte, nennt man sie Dunkle Energie. In einem Satz könnte man sagen: Die Dunkle Energie ist eine noch nicht näher bestimmbare Kraft, die die Expansion des Kosmos voran treibt. 

Expansion des Kosmos durch Dunkle Energie
Dunkle Energie: Warum expandiert der Kosmos

Und Dunkle Materie? In kleinen Bereichen des Kosmos, zum Beispiel unserem Sonnensystem oder auch unserer Galaxis, spielt die Expansion des Kosmos keine Rolle. Das liegt daran, dass hier die Schwerkraft stärker ist als die Expansion. In unserer Milchstraße überwiegt die Schwerkraft der Sternsysteme oder Schwarzen Löcher untereinander die Expansion des Universums und deswegen hält die Milchstraße sich zusammen. 

Aber jetzt kommt ein kleines Problem: Wissenschaftliche Berechnungen haben ergeben, dass die Schwerkraft der Objekte in unserer Galaxis nicht ausreicht, um die Galaxie zusammenzuhalten. Wenn man nur die sichtbaren Himmelskörper unserer Galaxis einberechnet, wäre die Gravitation so schwach, dass die Milchstraße von der Expansion und der Dunklen Energie zerrissen würde. Wird sie aber nicht. Also gibt es scheinbar eine ominöse Kraft, die ähnlich wie die Schwerkraft Objekte zusammenhält. Da man auch hier keinen Schimmer hat, was diese Kraft genau ist, nennt man sie Dunkle Materie. 

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Also zusammengefasst: Dunkle Materie ist eine ominöse Kraft, die Dinge zusammenhält, Dunkle Energie ist eine ominöse Kraft, die Dinge auseinander treibt. Astronomie kann so einfach sein. Da aber niemand genau weiß, was Dunkle Materie und Dunkle Energie sind, stellt sich die Frage, ob es vielleicht mysteriöse Teilchen geben könnte, die diese Kräfte verursachen, die wir aber schlicht noch nicht entdeckt haben. 

Symmetronen: Spekulative Teilchen rufen Effekte der Dunklen Energie hervor

Mit Teilchen meint man zum Beispiel Elementarteilchen, die auf der allerkleinsten Ebene die Effekte der Dunklen Energie und Dunklen Materie hervorrufen. Über solche ominösen Teilchen wird schon lange spekuliert. Die Idee der Forscher der Uni Nottingham ist, dass diese Teilchen tatsächlich existieren und verantwortlich sind für das exzentrische Verhalten der Zwerggalaxien. Ihrer Theorie zufolge könnten spekulative Teilchen, die als Symmetronen bekannt sind und mit denen Forscher Lücken in unserem Wissen über den Kosmos erklären, all diese geheimnisvollen Effekte bewirken.

Die Theorien besagen, dass Symmetronen im Laufe der 13,8 Milliarden Jahre, die das Universum alt ist, mehrmals einen so genannten Symmetriebrechungsmechanismus durchlaufen haben. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass diese Teilchen bei der Ausdehnung des Universums und der damit einhergehenden Verringerung der Dichte einen Schwellenwert überschreiten, der sie dazu veranlasst, ihren Niedrigstenergiezustand von Null in einen zufälligen positiven oder negativen Wert zu verwandeln. 

So könnten Symmetronen aussehen
Symmetronen: Sehen sie so aus?

Das klingt unfassbar kompliziert. Ist es auch. Deswegen stellen wir uns einfach mal vor, dass Symmetronen überall im Weltraum sind und den Weltraum schlicht in zwei Zustände teilen: Symmetron-Zustand Eins und Symmetron-Zustand Zwei. Oder einfacher: Pizza mit Salami. Pizza mit Schinken. Zwischen den unterschiedlich belegten Pizza-Stücken haben wir eine klare Abgrenzung, genau so zwischen den verschiedenen Symmetron-Zuständen. Im Falle der Symmetronen nennt man diese Abgrenzung Symmetron-Domänenwand, genau der Ort, an dem Symmetron-Zustand Eins zu Symmetron-Zustand Zwei wechselt, oder wie wir Physik-Profis sagen: Dort, wo Pizza Salami zu Pizza Schinken wechselt. Der beteiligte Forscher Aneesh Naik sagt: “Da das Universum nicht gleichmäßig ist, wird es verschiedene Regionen mit niedriger Dichte geben, die kausal nicht miteinander verbunden sind, so dass dieser Symmetriebruch nicht überall im Universum gleichzeitig stattfindet.”

Symmetronen: Domänenwand zwischen Milchstraße und Zwerggalaxie

Und die Idee ist jetzt, dass wir zwischen der Milchstraße und den Zwerggalaxien eine solche Symmetron-Domänenwand haben. Und an diesem unsichtbaren Symmetriebruch, an dieser Grenze zwischen zwei Zuständen, orientieren sich die Zwerggalaxien und nehmen deswegen die mit dem Standardmodell der Physik nicht zu erklärenden Umlaufbahnen an. 

Das ist erst mal nur eine Hypothese, aber die Forscher haben anhand von Simulationen gezeigt, dass Wechselwirkungen entlang dieser exotischen Wände Satellitengalaxien perfekt in die unerwarteten Ebenen lenken könnten. Die Hypothese der unsichtbaren Symmetron-Domänenwände passt also optimal zu dem, was wir in der Realität sehen. Das ist ein starkes Indiz dafür, dass Symmetronen tatsächlich existieren – und so ist es in der Physik ja schließlich oft: Dinge werden erst mal theoretisch postuliert und dann Jahre später erst entdeckt. 

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Gasblase fliegt um Schwarzes Loch

Künstlerische Darstellung eines Schwarzen Lochs

Eine Gasblase bewegt sich um das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße – und zwar mit rund einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit. Was hat es damit auf sich?

Eine Gasblase rast mit einer wahnsinnigen Geschwindigkeit um das Schwarze Loch. Bevor wir uns anschauen, was es damit auf sich hat, springen wir kurz in der Zeit zurück. Vor vier Monaten ist etwas wirklich Galaktisches geschehen. Die erste Aufnahme vom zentralen Schwarzen Loch unserer Galaxis wurde veröffentlicht. Unten seht Ihr das Foto von dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxis, Sagittarius A*. Die helle Akkretionsscheibe aus Material, das von der Schwerkraft des Schwarzen Lochs erfasst wird, ist sehr gut zu erkennen.

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Sagitarrius A* ist ein echtes Schwergewicht und besitzt knapp vier Millionen Sonnenmassen. Wie Ihr sicherlich wisst, beeinflusst die Masse eines Objekts die Raumzeit. Sie wird verformt wie ein Trampolin, auf dem sich ein schweres Objekt befindet. Im Umkreis eines solchen Schwerkraftmonsters wie Sagittarius A* verhält sich die Raumzeit sehr bizarr. 

Foto vom Schwarzen Loch Sagittarius A*
Das erste Foto von einem Schwarzen Loch: Sagittarius A* und die Akkretionsscheibe

90.000 km/s schnelle Gasblase

Dazu passt der Fund, den Astronomen im Umkreis dieses Schwarzen Lochs gemacht haben. Sie entdeckten etwas, das mit einer hohen Geschwindigkeit um den Schlund von Sagittarius A* rast – und zwar mit rund 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Das sind umgerechnet knapp 90.000 Kilometer pro Sekunde. 

Um was für eine mysteriöse Struktur könnte es sich hier handeln? Der Astrophysiker Maciek Wielgus vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie sagt: “Wir glauben, dass wir es mit einer heißen Gasblase zu tun haben, die Sagittarius A* auf einer Bahn umkreist, die der des Planeten Merkur ähnelt, aber in nur etwa 70 Minuten eine volle Schleife macht.”

schneller als der Merkur

Es geht also ganz konkret um eine Gasblase, die mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit um ein supermassives Schwarzes Loch kreist. Zum Vergleich können wir uns den Merkur anschauen. Der Planet umkreist die Sonne in derselben Entfernung wie die Gasblase das Schwarze Loch. Der Merkur fliegt auf seiner Bahn mit einer Geschwindigkeit von knapp 50 Kilometern pro Sekunde. Das ist 1.800 mal langsamer als die Geschwindigkeit der Gasblase. Aber was ist denn diese Gasblase eigentlich genau und wie entsteht sie?

Dass es in der Nähe des Schwarzen Lochs solche Gasansammlungen gibt, ist nicht ungewöhnlich. Wie wir schon auf der Aufnahme von Sagittarius A* gesehen haben, bilden sich um Schwarze Löcher Akkretionsscheiben, in denen alles mögliche herumgewirbelt wird, was dem Schwarzen Loch zu Nahe kam. Gas, Staub, Licht, Planeten, Sterne und so weiter. Diese Gasblase scheint aber speziell zu sein. 

Flares am Schwarzen Loch ließen Gasblase entstehen

An der Erstellung der ersten Aufnahme von Sagittarius A* war unter anderem das ALMA-Radioteleskop in Chile beteiligt. Als die Forscher dessen Daten isoliert ausgewertet haben, entdeckten sie im Radiobereich, dass Sagittarius A* im Jahre 2017 ein wenig Flatulenzen hatte. Es spuckte einen sogenannten Flare aus, eine Eruption, die meistens durch vorbeiziehende Objekte getriggert wird. Man geht davon aus, dass solche Flares das Ergebnis der Wechselwirkung von heißem Gas mit einem Magnetfeld im Bereich des Schwarzen Lochs sind. 

Darstellung von der NASA von Flares aus einem Schwarzen Loch
Flares: Heiße Gasausbrüche aus einem Schwarzen Loch

Die Forscher bemerkten, dass das heiße Gas stark polarisiertes Licht aussendete, das die Signatur der Synchrotronbeschleunigung aufwies – beides tritt in Gegenwart eines starken Magnetfeldes auf. Man kennt das von der Erde von einigen Teilchenbeschleunigern. In denen befinden sich die Teilchen auf einer Kreisbahn, in die sie durch magnetische Felder gezwungen werden, und in denen bei der Bewegung die Magnetfeldstärke synchron mit der Teilchenenergie erhöht wird – deswegen Synchrotron. Daher wusste man, dass der Gasblob sich so verhält, als hätte ihn ein starkes Magnetfeld beeinflusst. Quasi ein Synchrotronteilchenbeschleuniger, den niemand künstlich erschaffen hat, sondern der auf natürlichem Wege um Sagittarius A* entstanden ist, da Schwarze Löcher oftmals eben gewaltige Magnetfelder aufweisen. 

Schwarzer Kaffee

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Maciek Wielgus sagt: “Was wirklich neu ist, ist, dass solche Flares bisher nur in Röntgen- und Infrarotbeobachtungen von Sagittarius A* deutlich zu sehen waren. Hier sehen wir zum ersten Mal einen sehr starken Hinweis darauf, dass umlaufende Hot Spots auch in Radiobeobachtungen vorhanden sind.”

Wird die Bubble vom Schwarzen Loch verschluckt?

Sagittarius A* erschafft durch seinen Magnetismus also eine festgelegte Kreisbahn, in der die Objekte innerhalb der Akkretionsscheibe gezwungen sind, mit immenser Geschwindigkeit immer und immer weiter zu rotieren. Ob der Gasblob irgendwann verschluckt wird, also sich über den Ereignishorizont bewegt, die Grenze, hinter der selbst Lichtgeschwindigkeit nicht mehr entkommen, ist nicht klar. Denn es gibt ein böses Vorurteil über Schwarze Löcher, nämlich dass sie alles verschlucken, egal wie groß, egal wie weit weg. Dabei haben auch Schwarze Löcher eine bestimmte Schwerkraft und wenn man den richtigen Abstand hält, kann man einen stabilen Orbit um ein Schwarzes Loch halten. Es ist sogar denkbar, dass es Planeten gibt, die um ein Schwarzes Loch orbitieren, so wie unsere Erde um die Sonne. Und die wird ja schließlich auch nicht von der Sonne eingesogen. Solche Planeten bezeichnet man als Blanets, ein Kofferwort aus Planet und Black Hole. 

Szene aus dem Film Interstellar mit dem Schwarzen Loch
Schwerkraftmonster: Das Schwarze Loch Gargantua aus dem Film Interstellar

Besonders gut dargestellt wird das im Science-Fiction-Film Interstellar, auf dem die Protagonisten gleich mehrere solcher Blanets besuchen, die um das Schwarze Loch Gargantua kreisen. Jedenfalls könnte es sein, dass die heiße Gasblase sich wie ein Blanet stabil um Sagittarius A* dreht, da sie durch das Magnetfeld in eine feste Kreisbahn gezwungen wird. In dem Fall wird sie sich noch für sehr lange Zeit weiter bewegen – ein wenig wie ein Uhrzeiger. Nur dass sie nicht wie eine normale Uhr 60 Minuten für eine Umdrehung braucht, sondern 70. Und dass die Uhr nicht gerade an die Wand passen würde, sondern so groß ist wie die Merkurbahn. 

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Galaktisches Jahr: Alle 200 Millionen Jahre verändert sich die Erde

Dartellung galaktisches Jahr

Unsere Existenz hat etwas mit der Bewegung des Sonnensystems durch die Galaxis zu tun. Forscher fanden heraus, dass es einen galaktischen Rhythmus von 200 Millionen Jahren gibt, der alles auf unserem Planeten beeinflusst. 

Trauriger Fakt: Ihr habt erst in einigen Millionen Jahren wieder Geburtstag. Zumindest wenn man als Referenzwert ein galaktisches Jahr nimmt. Denn das dauert 225 Millionen Erdenjahre. Aber was ist ein galaktisches Jahr überhaupt und wofür muss man in so langen Zeitskalen messen? 

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Unsere Erde ist ziemlich sportlich. Sie dreht sich um sich selbst, sie rotiert um die Sonne und als Teil des Sonnensystems bewegt sie sich um das Zentrum unserer Galaxis, der Milchstraße. Diese Bewegung unseres Sonnensystems ist vielen völlig unbekannt, dabei rasen wir gerade in diesem Moment durch die Milchstraße und zwar mit einer Geschwindigkeit von 900.000 Kilometer pro Stunde. Als Ihr heute morgen aufgewacht seid, wart Ihr an einer anderen Stelle im Weltraum, Millionen von Kilometern entfernt. 

Wie lange dauert ein galaktisches Jahr?

Eine Umrundung unseres Sonnensystems um das galaktische Zentrum dauert 225 Millionen Jahre und wird als ein galaktisches Jahr bezeichnet. Und irgendwie liegt der Gedanke nahe, dass dieses galaktische Jahr erhebliche Auswirkungen auf die Erde haben könnte. Wir reden hier über gewaltige Zeiträume, am Anfang dieses galaktischen Jahrs, existierten noch Dinosaurier auf der Erde. Und es gibt viele Forscher, die es für möglich halten, dass auch das Klima auf der Erde und geologische und tektonische Prozesse durch das galaktische Jahr, durch unsere Bewegung durch die Milchstraße, beeinflusst werden. 

Nun hat man Beweise dafür gefunden, dass wir sogar unsere Existenz dieser galaktischen Bewegung verdanken, so unglaublich das auch klingt. Dazu etwas Poesie: „Um die Welt in einem Sandkorn zu sehn / und den Himmel in einer wilden Blume, / halte die Unendlichkeit auf deiner flachen Hand / und die Stunde rückt in die Ewigkeit.“ Das ist aus einem Gedicht von William Blake und es beschreibt sehr schön, was Geologen tun. Sie betrachten ein Sandkorn oder einen Stein und schließen von dessen Beschaffenheit auf den Aufbau der gesamten Erde zurück. Sie sehen die Welt in einem Sandkorn. Und genau das haben Forscher von der australischen Curtin University nun auf die Spitze getrieben und vom Aufbau des irdischen Gesteins auf galaktische Vorgänge geschlossen. Sie haben nicht nur die Welt, sondern eine ganze Galaxie in einem Sandkorn gesehen. Der die Forschungsarbeit führende Professor Chris Kirkland sagt: “Wir beobachten die Zusammensetzung von Mineralkörnern, die kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares. Dann extrapolieren wir die chemischen Prozesse, […] um sie mit dem Platz der Erde in der galaktischen Umgebung in Verbindung zu bringen.”

Informationen im Krustengestein der Erde

Was haben die Forscher gemacht? Sie haben Gestein der Erdkruste untersucht und eine Art geologische Zeitleiste aus den Informationen erstellt, die sie aus dem Gestein herauslesen können. Denn in Krustengestein ist beispielsweise Uran gebunden, das aufgrund seines radioaktiven Zerfallsprozess eine perfekte Chronik erschafft, die Geologen interpretieren können. Anders gesagt: Sie haben eine Zeitleiste der Erdkrustenproduktion ermittelt. Wann ist die Erdkruste in welchem Zeitraum entstanden beziehungsweise wann gab es die größten Transformationsprozesse? Sie fanden heraus, dass es einen ungefähren 200-Millionen-Jahre-Rhythmus für die Krustenbildung auf der frühen Erde gab. Vor Milliarden Jahren, als unsere Erde ganz jung war, hat die Erdkruste alle 200 Millionen Jahre wichtige Entwicklungsschritte durchlaufen. 200 Millionen Jahre – passt ja ziemlich gut zum galaktischen Jahr von 225 Millionen Jahren, oder? Und es passt noch besser zu einer Teilbewegung innerhalb des galaktisches Jahres. 

Karte der Milchstraße
Kartographie unserer Milchstraße

Dafür reisen wir mal fix von der Erdkruste weit hinaus zu den Spiralarmen unserer Galaxis. Wenn das Sonnensystem um das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Galaxis düst, bleibt es dabei nicht immer exakt an derselben Stelle innerhalb der Milchstraße. Die Bewegung des Sonnensystems unterscheidet sich ganz leicht von der Bewegung der Spiralarme. Die Spiralarme und das Sonnensystem kreisen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um das Zentrum der Galaxie. Diese Differenz in der Geschwindigkeit führt dazu, dass unser Sonnensystem in die Arme der Galaxie hinein- und wieder heraussurft. Im Laufe dieser langen Zeitspanne ist das Sonnensystem mal mitten innerhalb eines Spiralarms und mal etwas in den Außenbereichen. Und zwischen dem Ein- und Austritt unseres Sonnensystems in einen Spiralarm der Milchstraße liegen – drei mal dürft Ihr raten – 200 Millionen Jahre. 

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Oortsche Wolke und die Erdkruste

Das passt also alles perfekt zusammen. Stellt sich jetzt nur noch die Frage, inwiefern denn dieses Spiralarmsurfen unseres Sonnensystems die Bildung der Erdkruste bestimmt haben könnte. Und da kommt ein weiterer Begriff ins Spiel: Oortsche Wolke. Was ist das schon wieder? Das ist ein weit entfernter Bereich, der die letzte Grenze des Sonnensystems darstellt. Hier ist die Schwerkraft der Sonne gerade noch stark genug, um Objekte wie Kometen und Staubteilchen in ihrem Bann zu halten. Die Oortsche Wolke ist bislang noch nicht sicher nachgewiesen, aber das liegt nur daran, dass unsere technischen Mittel noch zu schlecht sind, um sie zu sehen. Aber die Gesetze der Physik gebieten, dass es sie geben muss – denn, an einem bestimmten Punkt muss die Grenze liegen, an der die Schwerkraft der Sonne langsam die Überhand verliert und die Schwerkraft anderer Sterne innerhalb der Galaxis stärker wird. Und genau dort bildet sich eben eine schalenartige Hülle um das Sonnensystem. Man nimmt an, dass die Oortsche Wolke gigantische Ausmaße hat, sie könnte über anderthalb Lichtjahre groß sein. Anders gesagt: Selbst mit Lichtgeschwindigkeit bräuchtet Ihr noch anderthalb Jahre, um das Ende der Oortschen Wolke zu erreichen. Bis also beispielsweise die Voyager-Sonden die Oortsche Wolke erreichen, wird noch sehr viel Zeit vergehen. Kaum vorstellbar was sich in diesen noch unbekannten Bereichen des Sonnensystems verbergen mag. 

Wenn das Sonnensystem in einen Spiralarm hinein surft, wird durch die Wechselwirkung zwischen den Sternen und der instellaren Materie des Spiralarms und der Oortschen Wolke Material aus der Wolke herausgelöst und Richtung inneres Sonnensystem geschleudert. Ein Teil dieses Materials, also Kometen und Asteroiden, hat in der Vergangenheit offensichtlich die Erde getroffen. Objekte, die so einen langen Anfahrtsweg Richtung Erde haben, schlagen mit einer immensen Geschwindigkeit auf unserem Planeten ein. Das Forscherteam denkt, dass die regelmäßigen Spuren, die sie im Krustengestein festgestellt haben, genau durch diese hochenergetischen Einschläge aus der Oortschen Wolke produziert wurden, die durch die Bewegung unserer Erde im Rahmen des galaktischen Jahres getriggert wurden. Wahnsinn, oder? Irgendwie unglaublich, dass unser Alltag letztlich von diesen für uns unfassbaren langwierigen galaktischen Prozessen geprägt ist. Denn wenn die Erdkruste niemals so entstanden wäre, wie sie nun mal entstanden ist, dann gäbe es uns gar nicht oder zumindest nicht in dieser Form. 

Asteroid schlägt auf Erde im Meer ein
Gewaltig: ein Asteroidenaufschlag auf der Erde

Professor Kirkland drückt es sehr schön aus: “Es ist beeindruckend, in den Himmel zu schauen und die Sterne zu sehen, und dann zu den Füßen hinunterzuschauen und das Gestein zu spüren – all das ist durch einen in der Tat großartigen Rhythmus verbunden.” Und einige von euch sind bestimmt auf denselben Gedanken gekommen: Könnte es dann nicht auch sogar sein, dass nicht nur die Erdkruste wegen dieser Prozesse entstanden ist, sondern, dass vielleicht sogar das Leben so auf die Erde kam? Ein Komet von weit weg, vielleicht sogar aus einem ganz anderen Bereich des galaktischen Spiralarms, könnte durch diesen Rhytmus Richtung Erde geschleudert worden sein. Auf diesem Komet befanden sich vielleicht organische Materialien, oder zumindest präorganische Dinge wie Aminosäuren, das Ding ist auf der Erde eingeschlagen und durch diese glückliche Verkettung der Ereignisse lest ihr jetzt diesen Beitrag. Der galaktische Rhytmus ist also eine perfekt passende Ergänzung der Panspermie-Theorie, also der Idee, dass das Leben auf der Erde irgendwie aus dem Kosmos kam.

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Ganz schön flockig: Neue Erkenntnisse über die Milchstraße

Neue Ansicht der Milchstraße dank GAIA

Fast alles, was wir über unsere Milchstraße geglaubt haben, ist falsch. Das geht nun aus unglaublichen neuen Daten des Weltraumteleskops GAIA hervor.

Unsere Galaxis, die Milchstraße, ist eine spiralförmige Ansammlung von Milliarden von Sternen. Einer davon ist die Sonne. All diese Sternsysteme haben sich irgendwann aus gigantischen Weltraumnebeln gebildet. Doch neue Erkenntnisse des Weltraumteleskops GAIA zeigen nun: Das stimmt so alles gar nicht. GAIA steht medial immer im Schatten vom Hubble-Teleskop oder James-Webb. Das aber völlig unverdient, denn die Mission von GAIA ist absolut spannend, wie sich jetzt anhand der Erkenntnisse zeigt.

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GAIA ist ein Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumbehörde und durchmustert den Himmel in nie geahntem Ausmaß. Die Sterne der Milchstraße werden dabei astrometrisch, photometrisch und spektroskopisch mit bisher unerreichter Genauigkeit erfasst – anders gesagt: Durch GAIA erhalten wir detailgetreue Karten unserer Heimatgalaxis und auch teilweise von extragalaktischen Objekten. GAIA ist also, wenn man so will, sowas wie ein galaktisches Kartografierungsgerät. Und letzten Monat war dann endlich der Moment gekommen, auf den die gesamte astronomische Szene hingefiebert hat: Die ESA gab das dritte und bisher umfangreichste Datenpaket des Weltraumteleskops GAIA zur Milchstraße frei.

Das GAIA Weltraumteleskop

Milchstraße: Keine Spiralarmgalaxie

Die wohl beeindruckenste Erkenntnis ist, dass wir jahrzehntelang von einer falschen Form unserer Galaxis ausgingen. Es gab zwar schon lange Debatten darüber, ob die Milchstraße eine klassische Spiralgalaxie, oder, ob sie eine Balkenspiralgalaxie ist, im Zentrum also einen länglichen Balken aufweist, von dem aus die Spiralarme abzweigen. Jetzt kam aber heraus, dass die Milchstraße eine ganz besondere Art von Spiralgalaxie ist, sie weist nämlich ein Flocculent-Spiral-Muster auf. Flocculent heißt so viel wie flockig und Flocculent-Spiral-Galaxien hielt man eigentlich für sehr exotische und seltene Galaxien. Diese Galaxien zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Spiralarme eher undefiniert sind und stattdessen zerrissen und chaotisch wirken. Deutlich wird das typische Aussehen einer Flocculent-Galaxie zum Beispiel bei der Galaxie NGC 2775, die 54 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Die Spiralarme sind kaum definiert und lassen sich nur sehr schwer als einzelne Strukturen identifizieren, stattdessen ist alles irgendwie ungeordnet und ja, eben flockig. In so einer flockigen Galaxie leben wir also auch.

Galaxie NGC 2775

Ironischerweise ist es besonders schwierig, Erkenntnisse über unsere eigene Galaxis zu gewinnen. Sie ist zwar logischerweise am nächsten an uns dran, weil wir in ihr drin sind, aber genau dieser Umstand macht es auch so schwierig, etwas über sie herauszufinden. Stellt euch mal vor, Ihr sitzt Zuhause im Wohnzimmer und wollt herausfinden, wie euer Haus von außen aussieht – ihr könnt aber nicht raus, weil euer Haus zehntausende Lichtjahre groß ist. Ihr könnt aber aus dem Fenster schauen und die Nachbarhäuser von außen sehen. Ihr wisst also mehr über das äußerliche Aussehen der Nachbarhäuser als über euer eigenes Haus. Genau so verhält sich das auch bei Galaxien und deswegen ist es eigentlich gar nicht so überraschend, dass wir immer wieder neue Informationen über die Gestalt unserer Milchstraße erhalten.

Die Zugehörigkeit zu den flockigen Galaxien ist aber nicht die einzige spannende Erkenntnis, die GAIA uns geliefert hat. Aus den Daten geht auch eine schockierende Nachricht über die Herkunft vieler Sterne in der Galaxis hervor. Unten seht Ihr eine Karte, auf der die Sterne der Milchstraße anhand der GAIA-Daten nach ihrer chemischen Zusammensetzung eingefärbt sind. Durch die chemische Klassifizierung vieler Sterne und deren Position erscheint klar, dass viele Objekte in unserer Galaxie ursprünglich nicht hier „geboren“ wurden, sondern aus fremden Galaxien stammen und schließlich von der Milchstraße einverleibt wurden.

Dichtebild der Milchstraße

GAIA: Kommt die Sonne aus einer anderen Galaxie?

Die Milchstraße hat also in ihrer dunklen Vergangenheit andere Zwerggalaxien aufgefressen und sich deren Wasserstoffvorräte einverleibt. Und jetzt kommts: Auch unser Sonnensystem könnte auf einen solchen Vorgang zurückzuführen sein. Hinweise im GAIA-Datenmaterial legen nämlich nahe, dass das Verschlingen einer Zwerggalaxie die Entstehung unserer Sonne vor etwa vier bis fünf Milliarden Jahren ausgelöst haben könnte.

Die Forscher vermuten anhand der GAIA-Daten auch, dass unsere Sonne eigentlich ganz woanders entstanden ist und erst im Laufe der Zeit ihren jetzigen Platz am Rande der Milchstraße eingenommen hat. Das ist aber alles noch sehr rätselhaft und unklar. Aus den GAIA-Daten werden wir zukünftig sicherlich noch unfassbar viele weitere Informationen über unsere eigene galaktische Herkunft ziehen können. Erst ein Bruchteil ist nämlich überhaupt erst analysiert.

Akkurates Foto der Mondlandung

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GAIA: Sternenbeben beobachtet

Unten auf dem Bild sehen wir die Bahnen von 150.000 Asteroiden in Relation zu unserer Sonne, modelliert auf Grundlage der GAIA-Beobachtungen. Der GAIA-Wissenschaftler Timo Prusti sagt: “Je mehr Daten wir bekommen, desto schwieriger wird die Verarbeitung. Gleichzeitig entsprechen die 1,8 Milliarden Sterne gerade einmal einem Prozent der in der Milchstraße vorhandenen Sterne.” Und noch ein spannendes Phänomen ergibt sich aus den GAIA-Daten: Sternenbeben. Klingt wie ein schlechter Deutschpop-Song von Silbermond, ist aber ein existierendes astronomisches Phänomen. Im Prinzip meint man damit das Pulsieren sehr schwerer Sterne. Die beiden Sterne UY Scuti und Stephenson 2-18 etwa pulsieren derart heftig, dass sie sich den Titel des größten bekannten Sterns teilen. Mal ist der eine größer, mal der andere.

Asteroidenbahnen, aufgezeichnet von GAIA

GAIA hat bereits über 100.000 derartig flackernde massereiche Sterne entdeckt. Diese Informationen sind wichtig, um mehr über den Entstehungsort der Sterne, aber auch deren Bewegung innerhalb der Galaxis zu erfahren. Die Astroseismologin Conny Aerts sagt: “Derartige Beben, die wir als Aufflackern der Sterne wahrnehmen, liefern wertvolle Daten zur inneren chemischen Zusammensetzung, aber auch zu ihrer inneren Bewegung.”

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Riesige Blasen-Struktur umgibt unser Sonnensystem

Unser Sonnensystem befindet sich in einer gigantischen kosmischen Blase. Forscher fanden nun mehr über ihre spektakuläre Entstehung heraus.

Unser Sonnensystem ist Teil der Milchstraße. Wir sind eins von mehreren hundert Milliarden, nach einigen Schätzungen vielleicht sogar bis zu ein Billion, Sternsystemen in der Galaxis. Und wir befinden uns ganz am Rande der Milchstraße, sind also nur galaktische Randerscheinung – ganz im Gegensatz zur Selbsteinstufung vieler Menschen als Zentrum des Universums. 

Die Galaxie ist durchzogen vom interstellaren Medium, einer Mischung aus Staub, Gas und kosmischer Strahlung. An einigen stellen verdichtet sich das interstellare Medium zu gut sichtbaren Molekülwolken. Unser Sonnensystem befindet sich in einer Art Aussparung des interstellaren Mediums, in der sogenannten lokalen Blase. Sie wurde erst vor wenigen Jahrzehnten durch eine Kombination aus optischer, Radio- und Röntgenastronomie entdeckt und nach und nach fand man heraus, dass sie eine riesige Region darstellt, die etwa 10 Mal weniger dicht ist als das durchschnittliche interstellare Medium in der Milchstraße. Eine riesige Hülle, in der unser Sonnensystem drin ist – das klingt ein wenig nach einer anderen Struktur, die unser Sonnensystem umgibt: Die Heliosphäre.

Die Heliosphäre schützt uns vor der kosmischen Strahlung

Wo ist also der Unterschied zwischen der Lokalen Blase und der Heliosphäre? Die Heliosphäre ist ebenfalls eine Hülle um unser Sonnensystem herum, aber sie ist wesentlich kleiner. So klein, dass sogar schon von Menschen gebaute Objekte sie verlassen haben, namentlich die Voyager Sonden, die jenseits der Heliosphäre durch den interstellaren Raum düsen. Innerhalb der Heliosphäre verdrängt der Sonnenwind, also ein Partikelstrom, der von der Sonne ausgestoßen wird, das interstellare Medium nahezu komplett. Man könnte also sagen, dass die lokale Blase eine Enklave innerhalb des interstellaren Mediums ist und die Heliosphäre eine Enklave innerhalb der Lokalen Blase. In der Lokalen Blase ist das interstellare Medium weniger dicht, in der Heliosphäre ist es fast vollständig verdrängt. 

Einem Team von Forschern des Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics ist es nun gelungen, die Blase so genau zu kartographieren wie noch nie zuvor. Und sie fanden heraus, dass unsere Lokale Blase eng verbunden ist mit der heftigen Explosion von riesigen Sternen! Aber immer der Reihe nach. Es ist gar nicht so einfach etwas über eine Struktur herauszufinden, in der man drin ist. Man stelle sich nur mal vor, man wolle das eigene Haus vermessen, kann aber das Wohnzimmer nicht verlassen. Um dennoch etwas über die Lokale Blase in Erfahrung zu bringen, nutzten die Forscher Daten des Gaia-Weltraumteleskop – dieses Weltraumteleskop dient der Kartierung der Positionen und Bewegungen von Sternen in der Milchstraße mit der bislang mit Abstand höchsten Präzision. Sie erstellten anhand der GAIA-Daten eine Karte des Gases und der jungen Sterne im Umkreis von etwa 650 Lichtjahre um unser Sonnensystem herum. Das brachte schon mal eine interessante Erkenntnis: Sie fanden heraus, dass sich alle jungen Sterne, also Sterne, die erst ein paar hundert Millionen Jahre alt sind – was für Sterne noch jung und knackig ist – und alle Sternentstehungsgebiete an der „Oberfläche“ der lokalen Blase befinden. Die Erklärung dafür ist spektakulär: Innerhalb unserer Blase muss es einst jede Menge Supernova-Explosionen gegeben haben.

Die Lokale Blase entstand durch Supernova-Explosionen

Wenn sich eine Supernova nach außen ausdehnt, komprimiert sie das Material, in das sie expandiert und schiebt es verdichtet immer weiter nach draußen. Dadurch entstehen dichte Ansammlungen von molekularem Gas am Rand des Ausdehnungsgebiet, die im interstellaren Medium schweben und dann unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbrechen. Wenn dichte Gasnebel kollabieren, entstehen neue Baby-Sterne. Durch Supernova-Explosionen wurde das interstellare Medium also in bestimmte Bereiche zusammengequetscht, wodurch ein riesiger Leeraum entstanden ist, unsere lokale Blase. 

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Die Forscher konnten anhand der GAIA-Daten aber noch viel mehr Details über die Entstehung der Lokalen Blase zurückrechnen. Sie fanden heraus, dass die Geschichte der Blase vor etwa 14,4 Millionen Jahren begann, zunächst mit einer Periode der Sternentstehung, gefolgt von den Supernovae massereicher, kurzlebiger Sterne. 14,4 Millionen Jahren ist im kosmischen Maßstab gar nichts, quasi nur ein Augenblick. Zum Vergleich: Unsere Galaxis ist wohl schon über 10 Milliarden Jahre alt. Das Team hat errechnet, dass die Blase durch ungefähr 15 Supernova-Explosionen über diesen Zeitraum von 14,4 Millionen Jahren entstanden ist. Und die Blase dehnt sich immer noch nach außen aus, mit einer Geschwindigkeit von etwa 6,7 Kilometern pro Sekunde. 

Catherine Manea | astrobites
Durch Daten des GAIA-Teleskops gelang eine genaue Kartierung der Lokalen Blase

Bleibt noch eine große Frage: Warum ist unser Sonnensystem ausgerechnet im Zentrum der Lokale Blase? Antwort: Das ist ein reiner Zufall! Zu erklären ist das mit der Bewegung unseres Sonnensystems durch die Galaxis. Unser Sonnensystem rast um das Zentrum der Milchstraße mit einer Geschwindigkeit von 900.000 Kilometern pro Stunde. Wir benötigen 225 Millionen Jahre einmal um das Zentrum der Milchstraße herum, das bezeichnet man als ein galaktisches Jahr – und durch eben jene Bewegung ist unser Sonnensystem in die lokale Blase hineingeschlittert. Der Physiker und Astronom João Alves von der Universität Wien beschreibt es so:

“Als die ersten Supernovae, die die lokale Blase erzeugten, ausbrachen, war unsere Sonne weit vom Geschehen entfernt. Aber vor etwa fünf Millionen Jahren führte der Weg der Sonne durch die Galaxie genau in die Blase, und jetzt sitzt die Sonne – nur durch Zufall – fast genau im Zentrum der Blase.” 

João Alves

Überall in der Galaxis befinden sich riesige Löcher, riesige Blasen im interstellaren Medium – eben überall dort, wo es zu vielen Supernova-Explosionen kommt und das interstellare Medium verdrängt wurde. Wenn man sich die Milchstraße also komplett mit Blasen durchlöchert vorstellt, dann erscheint es plötzlich gar nicht mehr so unwahrscheinlich, dass unser Sonnensystem auf seiner galaktischen Wanderung eben in das Zentrum einer solchen Blase hinein getrieben ist. Vielleicht wird es in einigen Millionen Jahren diese Blase verlassen und irgendwann eine neue erreichen. 

Noch mehr über die gigantische kosmische Blase um uns herum erfahrt Ihr in diesem Video:

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Kosmische Barriere vorm Schwarzen Loch

Wissenschaftler haben eine gigantische Barriere zwischen uns und dem Zentrum der Milchstraße entdeckt – was diese Absperrung ist und warum sie Leben retten kann, erfahrt ihr in diesem Beitrag. 

Eine kosmische Barriere im galaktischen Zentrum hat sich aufgetan und Ähnlichkeiten zur Handlung von “Star Trek Fünf : Am Rande des Universums” sind rein zufällig. Aber bevor wir uns dieser galaktischen Absperrung widmen und prüfen, was das eigentlich sein soll, schauen wir uns die örtlichen Begebenheiten in unserer Galaxis an.

Weit draußen in unserer Galaxis

Wir sind in unserer eigenen Galaxis, der Milchstraße, eine wortwörtliche Randerscheinung. Unser Sonnensystem ist siebenundzwanzigtausend Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt und liegt in einem der äußeren Spiralarme der Galaxis. Im Mittelpunkt des galaktischen Zentrums befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch mit dem schönen Namen Sagittarius A*. Und nein, es handelt sich dabei nicht um ein Gendersternchen. Dieses Schwergewicht bringt mehr als vier Millionen Sonnenmassen auf die Waage und hält durch seine Schwerkraft unsere Galaxis in ihrer Form. Auch wir werden von der Gravitation von Sagittarius A* erfasst. Gerade in diesem Moment rotiert unser Sonnensystem mit einer Geschwindigkeit von zweihundertvierzig Kilometern pro Sekunde um das Schwarze Loch.  

Helle Bereiche in Richtung Zentrum

Der Rest des galaktischen Zentrums weist eine sehr hohe Sternendichte auf, viel höher als in den Außenbereichen der Milchstraße. Deswegen sieht das Zentrum unserer Galaxis auf Darstellungen auch immer besonders hell aus. Solche Darstellungen sind aber natürlich nicht echt, denn dafür müsste jemand aus der Galaxis rausgeflogen sein, um ein Foto zu schießen. Diese Distanz ist aber weder für Menschen noch für Roboter derzeit in einer realistischen Zeit zu schaffen. 

Der Blick ins galaktische Zentrum vom Sonnensystem aus

Wir sitzen in unserem Spiralarm der Milchstraße und versuchen zu verstehen, wie die Galaxis genau aufgebaut ist. Und das ist gar nicht so einfach – stellt euch mal vor, ihr würdet versuchen den Aufbau eures Hauses herauszufinden, könnt aber die Ecke des Wohnzimmers nicht verlassen. Die Erforschung der Milchstraße ist also ein ziemlich kompliziertes Unterfangen. 

Nur wenig kosmische Strahlung aus dem Zentrum 

Umso erstaunter waren die Astronomen, als sie gemessen haben, dass aus dem Zentrum der Milchstraße unerwartet wenig kosmische Strahlung zu uns dringt. Kosmische Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung, die unter anderem von Sternen und Supernovae produziert wird. Da im Zentrum der Milchstraße die Sternendichte sehr hoch ist, würde man erwarten, dass von dort sehr viel kosmische Strahlung zu uns dringt – aber das Gegenteil ist der Fall. Es muss also irgendwas zwischen uns und dem galaktischen Zentrum geben, das die Strahlung abschirmt. 

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Herausgefunden haben das Wissenschaftler der chinesischen Akademie der Wissenschaften. Der beteiligte Forscher Xiaoyuan Huang sagt dazu: “Wenn es keine Barriere gibt, sollte die Komponente des kosmischen Strahlungsmeeres auch in der zentralen Region vorhanden sein. Die Daten zeigen jedoch, dass genau das Gegenteil der Fall ist und eine Barriere vorhanden sein muss.”

Fermi-Teleskop zeigt Barriere

Aber wie haben die Forscher das überhaupt gemessen? Sie nutzten Daten des Fermi Gamma-ray Space Telescope, ein Weltraumteleskop, das den Himmel im Gammabereich durchmustert. Gammastrahlung ist eine besonders durchdringende elektromagnetische Strahlung und die Beobachtung des Universums im Gammabereich ermöglicht es uns daher, besonders energetische Ereignisse wie Explosionen und Kollisionen von Sternen zu untersuchen. 

Die chinesischen Forscher haben die Daten des Fermi Teleskops der letzten 13 Jahre analysiert und haben auch eine Theorie, worum es sich bei der mysteriösen kosmischen Barriere handeln könnte. Die Antwort: Dort liegt der Planet Sha-Ka-Ree, auf dem Gott wohnt. Ok, genug Star Trek Anspielungen für heute. Die wahre Ursache könnte das supermassive Schwarze Loch Sagittarius A* sein. Die Forscher glauben, dass Sagittarius A* ein massives Magnetfeld um sich herum ausgebildet hat, das mit der kosmischen Strahlung wechselwirkt und diese wegdrückt. Diese Magnet-Barriere hat wohl eine Ausdehnung von sechshundertzwanzig Lichtjahren um das Schwarze Loch herum. 

Vergleich mit der Heliosphäre?

Mich erinnert das so ein wenig an eine ganz ähnliche Barriere innerhalb unseres Sonnensystems: Die sogenannte Heliosphäre der Sonne. Die Heliosphäre ist der Bereich, in dem der Sonnenwind, die Teilchenstrahlung der Sonne, so stark ist, dass er die kosmische Strahlung, die im Rest der Milchstraße vorherrscht, größtenteils verdrängt. Wir leben also in einer geschützten Blase, die unsere Sonne für uns bereitstellt und ohne die sich vermutlich kein Leben auf der Erde hätten entwickeln können. Danke, Sonne. 

Darstellung der Heliosphäre

Das Ende der Heliosphäre bezeichnet man als Heliopause. Die hat vor einiger Zeit die Sonde Voyager 2 durchquert, woraufhin viele Medien fälschlicherweise titelten, dass Voyager 2 nun das Sonnensystem verlassen hätte. Ich behaupte, dass das Sonnensystem nicht hinter der Heliopause endet – dort ist eben nur der Sonnenwind nicht mehr stark genug, um das interstellare Medium zu verdrängen. Die Schwerkraft der Sonne ist dort aber noch für eine laaaange Distanz weiter vorherrschend. 

Aber zurück zum eigentlichen Thema: Der Sonnenwind erzeugt ebenfalls ein Magnetfeld, so dass die Heliosphäre im Prinzip genau das gleiche Phänomen darstellt, wie die Magnetosphäre um Sagittarius A* – nur dass letzteres natürlich viel gigantischere Ausmaße annimmt, da um das Schwarze Loch herum viel unglaublichere Kräfte wirken als in unserem Sonnensystem. 

Erkenntnisse relevant für mögliche Strahlenauswirkungen

Vielleicht fragt Ihr euch jetzt, weshalb es überhaupt wichtig ist, mehr über die Strahlung in der Milchstraße herauszufinden: Der Grund ist, dass die Strahlung eines der größten Probleme für unser weiteres Vordringen in den Kosmos ist. Auf der Erde werden wir einerseits durch die Heliosphäre und vor allem durch die Erdatmosphäre vor der kosmischen Strahlung geschützt. 

Wenn hoffentlich bald Menschen auf dem Mars leben, wird es absolut essentiell sein, genauestens zu verstehen, welche Auswirkungen die dort erhöhte Strahlung auf unsere Körper hat. Denn so weit wir wissen, kann eine erhöhte Dosis kosmischer Strahlung allerlei Krankheiten hervorrufen und sogar DNA-schädigend sein. Solche Erkenntnisse wie jetzt über die kosmische Barriere im Zentrum der Galaxis können uns also zu einem besseren Verständnis der Gefahren der kosmischen Strahlung verhelfen.

Mehr dazu erfahrt Ihr im folgenden Video:

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