Die Gesamtmasse unserer Galaxie ist nicht exakt bekannt, weil der grösste Teil der Masse nicht leuchtet.
Moderne Schätzungen liegen grob bei $M_{\rm MW} \approx 0.8 \cdot 10^{12}~M_\odot$ bis $1.5 \cdot 10^{12}~M_\odot$
also etwa $800$ Milliarden bis $1.5$ Billionen Sonnenmassen.
Ein Teil neuer Gaia-Auswertungen kommt sogar auf niedrigere Werte um etwa $2 \cdot 10^{11}~M_\odot$, diese Werte hängen aber stark davon ab,
bis zu welchem Radius man die Milchstrasse definiert und wie man die äussere Rotationskurve interpretiert.
NASA/Hubble/Gaia-Messungen nennen für die Gesamtmasse der Milchstrasse eine Grössenordnung von etwa $1.5 \cdot 10^{12}~M_\odot$;
andere Gaia-basierte Arbeiten finden kleinere Werte. ([NASA Science][1])
Wichtig ist: Mit „Masse der Milchstrasse“ meint man meist nicht nur Sterne und Gas, sondern auch den weit ausgedehnten Dunkle-Materie-Halo.
| Bestandteil | typische Masse | Anteil an der Gesamtmasse |
|---|---|---|
| Zentrales Schwarzes Loch Sagittarius A* | $4.3 \cdot 10^6~M_\odot$ | extrem klein |
| Zentraler Bulge / Balken | ca. $1 \cdot 10^{10}$ bis $2 \cdot 10^{10}~M_\odot$ | wenige Prozent |
| Sternscheibe | ca. $5 \cdot 10^{10}~M_\odot$ | wenige Prozent |
| Gas und Staub | ca. $5 \cdot 10^9$ bis $1.5 \cdot 10^{10}~M_\odot$ | etwa $1~%$ |
| sichtbare baryonische Materie gesamt | ca. $6 \cdot 10^{10}$ bis $8 \cdot 10^{10}~M_\odot$ | etwa $5~%$ bis $10~%$ |
| Dunkle Materie | ca. $7 \cdot 10^{11}$ bis $1.4 \cdot 10^{12}~M_\odot$ | etwa $85~%$ bis $95~%$ |
Eine häufig zitierte Abschätzung für die Sternmasse ergibt etwa $6.08 \cdot 10^{10}~M_\odot$,
davon etwa $5.17 \cdot 10^{10}~M_\odot$ in der Scheibe und etwa $0.91 \cdot 10^{10}~M_\odot$ im Bulge/Balken. ([arXiv][2])
Im Zentrum der Milchstrasse liegt Sagittarius A*. Seine Masse beträgt nur etwa
$M_{\rm SgrA*} \approx 4.3 \cdot 10^6~M_\odot$
Das klingt gewaltig, ist für die Gesamtmasse der Galaxie aber fast vernachlässigbar:
$\dfrac{4.3 \cdot 10^6}{10^{12}} \approx 4.3 \cdot 10^{-6}$
Das zentrale Schwarze Loch dominiert also nur die unmittelbare Umgebung des galaktischen Zentrums, nicht die Dynamik der gesamten Milchstrasse.
Der innere Bereich der Milchstrasse ist kein einfacher kugelförmiger Kern, sondern enthält einen Balken.
Dieser Balken ist eine längliche Sternverteilung im Zentrum. Seine Masse liegt ungefähr bei
$M_{\rm Bulge/Balken} \approx 1 \cdot 10^{10}$ bis $2 \cdot 10^{10}~M_\odot$
Dynamische Modelle des galaktischen Bulge und Balkens finden für die Balken/Bulge-Struktur Werte
um etwa $1.88 \cdot 10^{10}~M_\odot$. ([arXiv][3])
Dieser Bereich ist wichtig für die Bewegung von Gas und Sternen im inneren Bereich bis zu einigen Kiloparsec vom Zentrum.
Die sichtbare Scheibe der Milchstrasse enthält den grössten Teil der Sterne. Dazu gehören:
Sonne, Spiralarm-Sterne, offene Sternhaufen, viele Molekülwolken, Gasnebel und junge Sternentstehungsgebiete.
Die Sternscheibe hat ungefähr $M_{\rm Sternscheibe} \approx 5 \cdot 10^{10}~M_\odot$
Die Scheibe ist dünn im Vergleich zu ihrem Durchmesser.
Der Durchmesser der sichtbaren Sternscheibe beträgt grob $100000$ Lichtjahre,
während die Dicke der dünnen Scheibe nur einige hundert bis etwa $1000$ Lichtjahre beträgt.
Zur normalen Materie gehören nicht nur Sterne, sondern auch interstellares Gas und Staub:
Wasserstoffgas, Heliumgas, Molekülwolken, ionisiertes Gas, Staubpartikel und heisses Gas im Halo.
Die Gasmasse ist deutlich kleiner als die Sternmasse. Typisch ist:
$M_{\rm Gas} \approx 5 \cdot 10^9$ bis $1.5 \cdot 10^{10}~M_\odot$
Gas ist aber astrophysikalisch sehr wichtig, weil daraus neue Sterne entstehen.
Der grösste Masseanteil der Milchstrasse liegt im Dunkle-Materie-Halo.
Dieser Halo ist viel grösser als die sichtbare Scheibe.
NASA beschreibt den Dunkle-Materie-Halo der Milchstrasse als ungefähr eine Million Lichtjahre gross,
also etwa zehnmal breiter als die sichtbare Scheibe. ([NASA Scientific Visualization Studio][4])
Die Dunkle Materie ist nicht direkt sichtbar. Man erkennt sie über ihre gravitative Wirkung, besonders über die Rotationskurve der Milchstrasse.
Ohne Dunkle Materie müsste die Umlaufgeschwindigkeit weit ausserhalb des Zentrums deutlich abfallen.
Für eine zentrale Masse würde gelten: $v(r) \approx \sqrt{\dfrac{G M}{r}}$
Dann müsste $v(r)$ bei grösserem Abstand $r$ etwa wie $1/\sqrt{r}$ kleiner werden.
Beobachtet wird aber: Die Rotationsgeschwindigkeit bleibt über grosse Bereiche relativ hoch.
In der Sonnenumgebung beträgt sie etwa $v_\odot \approx 220$ bis $240~{\rm km/s}$
Daraus folgt: Auch ausserhalb der sichtbaren Sternscheibe muss noch sehr viel zusätzliche Masse vorhanden sein.
übersichtsarbeiten zur Rotationskurve der Milchstrasse zeigen,
dass die Kurve bis in grosse galaktische Radien zur Bestimmung der Dunkle-Materie-Verteilung verwendet wird. ([ioa.s.u-tokyo.ac.jp][5])
Die Masseverteilung kann man grob so beschreiben:
| Abstand vom Zentrum | dominierende Massekomponente |
|---|---|
| $r < 1~{\rm pc}$ | Sagittarius A* |
| $r \approx 0.1$ bis $3~{\rm kpc}$ | Bulge, Balken, zentrale Sternpopulation |
| $r \approx 3$ bis $15~{\rm kpc}$ | Sternscheibe, Gas, Dunkle Materie |
| $r \approx 15$ bis $100~{\rm kpc}$ | Dunkle Materie dominiert zunehmend |
| $r > 100~{\rm kpc}$ | äusserer Dunkle-Materie-Halo, Satellitengalaxien, Kugelsternhaufen |
Die Sonne liegt bei etwa $r_\odot \approx 8.2~{\rm kpc}$ vom galaktischen Zentrum entfernt.
In unserer Umgebung tragen Sterne, Gas und Dunkle Materie gemeinsam zum Gravitationsfeld bei.
Für die lokale Dunkle-Materie-Dichte werden Werte um etwa $0.3$ bis $0.5~{\rm GeV/cm^3}$ gefunden;
eine neuere Analyse nennt zum Beispiel $0.486 \pm 0.030~{\rm GeV/cm^3}$. ([arXiv][6])
Die Unsicherheit entsteht hauptsächlich aus vier Gründen:
Erstens sehen wir die Milchstrasse von innen. Wir sitzen selbst in der galaktischen Scheibe und können die Gesamtstruktur nicht direkt von aussen fotografieren.
Zweitens ist Dunkle Materie nicht sichtbar. Ihre Verteilung muss aus Bewegungen von Sternen, Kugelsternhaufen, Satellitengalaxien und Gas abgeleitet werden.
Drittens hängt die Gesamtmasse davon ab, welchen Aussenradius man verwendet. Die sichtbare Scheibe ist viel kleiner als der Dunkle-Materie-Halo.
Viertens ist die Milchstrasse kein isoliertes System.
Sie gehört zur Lokalen Gruppe, wechselwirkt mit der Grossen und Kleinen Magellanschen Wolke und nähert sich langfristig der Andromedagalaxie.
Die sichtbare Milchstrasse, also Sterne, Gas und Staub, enthält nur etwa $M_{\rm sichtbar} \approx 6 \cdot 10^{10}$ bis $8 \cdot 10^{10}~M_\odot$
Die gesamte Milchstrasse einschliesslich Dunkler Materie liegt wahrscheinlich eher bei $M_{\rm gesamt} \approx 10^{12}~M_\odot$
Damit besteht der grösste Teil der Masse unserer Galaxie nicht aus Sternen, sondern aus einem weit ausgedehnten, unsichtbaren Dunkle-Materie-Halo.
[1]: "What Does the Milky Way Weigh? Hubble and Gaia Investigate"
[2]: "Improved Estimates of the Milky Way's Stellar Mass and Star Formation Rate from Hierarchical Bayesian Meta-Analysis"
[[3]: "Dynamical modelling of the Galactic bulge and bar: the Milky Way's bar pattern speed, stellar, and dark matter mass distribution"](https://arxiv.org/abs/1407.1078
[4]: "NASA SVS | Milky Way Anatomy"
[5]: "Rotation Curve of the Milky Way and the Dark Matter Density"
[6]: "Dark matter in the Milky Way: Measurements up to 3 kpc from the ..."