Die Scheibe der Milchstraße war anfangs dick und wurde erst in 3 Milliarden Jahren flach

Die Milchstraße begann nicht als die dünne, flache Scheibe, die wir heute sehen. Präzise Altersbestimmungen der Sterne in der Sonnenumgebung zeigen, dass die erste Scheibe der Galaxie eine dicke, durchmischte Schicht aus Gas und jungen Sternen war – und dass sie sich rasch abflachte, bevor sie auf ein Tempo verlangsamte, das bis heute anhält.

Damit ist eine Frage beantwortet, über die Astronomen vier Jahrzehnte gestritten haben: Wurden die alten Sterne der dicken Scheibe der Milchstraße hoch über der Ebene geboren, oder entstanden sie flach und wurden später durch Spiralarme, Gaswolken und den galaktischen Balken nach oben katapultiert? Die neuen Messungen deuten eindeutig auf die erste Antwort hin – zumindest für die Jugendphase der Galaxie.

Das Ergebnis stammt von ChronoGal, einem Projekt am Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) auf Teneriffa, das Daten der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation in Sternenalter umwandelt. Der Hauptautor, IAC-Doktorand David Mirabal, bezeichnete es als „den ersten klaren Beobachtungsbeleg, der eines der beiden Modelle für die Frühphase der Galaxie stützt.“

Die beiden Phasen unterscheiden sich deutlich. In der ersten Phase sank die typische Höhe der Scheibensterne über der Mittelebene von mehr als 4.100 Lichtjahren auf etwa 1.600 Lichtjahre – in rund zwei Milliarden Jahren. Nach einem Wendepunkt vor etwa 10,85 Milliarden Jahren verlangsamte sich die Abflachung um etwa den Faktor fünfzig, und die jüngsten Sterne entstehen heute in einer Schicht von rund 400 Lichtjahren Dicke.

Wie Gaia-Alter eine 40-jährige Debatte in eine Messung verwandelten

Gaia hat die Positionen, Bewegungen und Helligkeiten von mehr als einer Milliarde Sternen gemessen, aber keinen davon mit einem Alter versehen. ChronoGal ermittelt die Alter statistisch. Das Team erstellt ein Farb-Helligkeits-Diagramm, eine Auftragung, wie hell und wie blau oder rot jeder Stern ist, und gleicht es mit synthetischen Sternen bekannten Alters und bekannter chemischer Zusammensetzung aus Sternentwicklungsmodellen ab. Die beste Kombination verrät, wie viele Sterne in welchem Alter und mit welcher Metallizität entstanden sind.

Die Methode erreicht eine Altersgenauigkeit von besser als 5 %, was selbst für Sterne, die älter als zehn Milliarden Jahre sind, einen Fehler von etwa 500 Millionen Jahren bedeutet. Diese Genauigkeit ist der entscheidende Punkt. Frühere Studien gruppierten Sterne nach ihrer Chemie als Ersatz für das Alter, und diese Gruppen vermischten Sterne sehr unterschiedlichen Alters – was genau jene frühen, schnellen Veränderungen verschwimmen ließ, nach denen dieses Team suchte.

Die Forscher arbeiteten in zwei Zylindern, die auf die Sonne zentriert waren: einem mit einem Radius von etwa 815 Lichtjahren für Sterne auf kühlen, flachen Umlaufbahnen und einem mit einem Radius von etwa 2.450 Lichtjahren für Sterne auf heißeren, stärker geneigten Bahnen. Sie unterteilten beide in acht Schichten bis zu etwa 3.260 Lichtjahren ober- und unterhalb der Ebene, korrigierten für jeden Stern, der durch Staub verloren ging oder für Gaia zu schwach war, und fassten die Ergebnisse zu Populationen zusammen, die ein gemeinsames Alter und eine gemeinsame Metallizität aufweisen.

Für jede Population maßen sie dann die Skalenhöhe, ein Standardmaß dafür, wie weit sich ihre Sterne über der Ebene verteilen, bevor sie ausdünnen. Die Auftragung der Skalenhöhe gegen das Alter ergab zwei gerade Linien mit einem scharfen Knick dazwischen. Ein an die Daten angepasstes Modell setzte den Knick auf einen Zeitpunkt vor 10,85 Milliarden Jahren, mit einer Unsicherheit von etwa 130 Millionen Jahren.

Von Geburt an aufgebläht, nicht erst aufgewirbelt

Zwei Ideen standen im Wettstreit. Im Aufheizmodell werden Sterne stets in einer dünnen, kalten Schicht geboren, und über Milliarden von Jahren pumpen Begegnungen mit Gaswolken, Spiralarmen und dem Balken ihre Umlaufbahnen auf – alte Sterne sitzen also einfach höher, weil sie länger durchgeschüttelt wurden. Im Upside-Down-Modell war das Gas der jungen Galaxie selbst turbulent und dick, sodass die ersten Sterne hoch geboren wurden und jede spätere Generation in einer ruhigeren, dünneren Schicht entstand.

Das Aufheizen ist langsam und stetig. Es kann kaum erklären, warum eine Scheibe in etwa zwei Milliarden Jahren mehr als die Hälfte ihrer Dicke verlor – besonders in einer jungen Galaxie, die noch kleinere Galaxien verschlang, was sie eigentlich hätte heiß halten müssen. Die letzte große Kollision mit einer Zwerggalaxie namens Gaia-Sausage-Enceladus ereignete sich vor etwa zehn Milliarden Jahren, ungefähr zu dem Zeitpunkt, als die schnelle Phase endete. Die Autoren folgern, dass die gesamte turbulente Upside-Down-Phase etwa drei Milliarden Jahre dauerte.

Der Vergleich macht das Ausmaß greifbar. Die ältesten Populationen der Studie verteilten sich höher als die übliche Lehrbuch-Skalenhöhe der dicken Scheibe von etwa 2.900 Lichtjahren. Die Sonne, die vor etwa 4,6 Milliarden Jahren entstand, gehört zur ruhigen Phase, in der die Absinkrate auf ungefähr 120 Lichtjahre pro Milliarde Jahre gefallen war. In den Worten der Autoren sind die aufgeblähten ältesten Sterne „ein strukturelles Fossil der frühen Assemblierungsphase der Galaxie.“

Das Muster deckt sich auch mit kosmologischen Simulationen. Modelle milchstraßenähnlicher Galaxien, darunter die FIRE-2-Läufe, sagen eine chaotische, eruptive Frühzeit voraus, in der Sterne auf ungeordneten Bahnen entstehen, gefolgt von einem raschen Kollaps zu einer rotierenden dünnen Scheibe. Eine separate Studie aus diesem Jahr datierte den Zeitpunkt, an dem die Milchstraße begann, sich als Scheibe zu drehen, auf etwa zwölf Milliarden Jahre – mit großer Spanne –, was zum Beginn der schnellen Abflachung passt.

Was die Sternalter nicht klären

Die Messung erfasst nur die Sonnenumgebung, einige tausend Lichtjahre um die Sonne herum. Die Milchstraße ist etwa 100.000 Lichtjahre breit, und die innere und äußere Scheibe könnten sich nach unterschiedlichen Zeitplänen beruhigt haben. Sterne, die aus dem inneren Galaxienbereich eingewandert sind und ungewöhnlich metallreich sind, wurden aus der Anpassung ausgeschlossen, weil sie dem lokalen Trend nicht folgen würden.

Die schnelle frühe Phase beruht auf wenigen Datenpunkten. Die Unsicherheit der Steigung für das hohe Alter ist groß: Die Absinkrate in der schnellen Phase könnte um etwa 45 % niedriger oder 75 % höher sein als die beste Schätzung. Für die beiden ältesten Populationen konnte das Team nur untere Grenzen für die Skalenhöhe angeben, und einige Populationen in der heißeren Stichprobe mussten von Hand getrennt werden, obwohl die Autoren das gleiche Ergebnis berichten, wenn sie die Daten einheitlich unterteilen.

Das Aufheizen ist ebenfalls nicht ausgeschlossen. Für die ruhige Phase passt die allmähliche Abflachung gleichermaßen zu beiden Modellen. Simulationen deuten darauf hin, dass beide Prozesse zusammenwirken, wobei das Aufheizen 30 % bis 40 % des gesamten Anstiegs der Skalenhöhe mit dem Alter ausmacht. Und jedes Alter in der Studie hängt von Sternentwicklungsmodellen ab – ein systematischer Fehler in diesen Modellen würde die gesamte Zeitleiste verschieben.

Häufige Fragen zur dicken und dünnen Scheibe der Milchstraße

Was ist die dicke Scheibe der Milchstraße?

Es ist eine aufgeblähte, ältere Schicht von Sternen, die die dünne Scheibe überlappt, in der sich die Spiralarme und die meisten jungen Sterne befinden. Ihre Sterne sind typischerweise älter als etwa zehn Milliarden Jahre, ärmer an Metallen und auf stärker geneigten Bahnen unterwegs. Die neue Studie legt nahe, dass sie sich zuerst aus turbulentem Gas bildete, anstatt später aus der dünnen Scheibe aufgeheizt worden zu sein.

Wie messen Astronomen das Alter eines Sterns?

Bei einzelnen Sternen ist das schwierig, weil sich Farbe und Helligkeit eines Sterns über Milliarden von Jahren nur langsam ändern. ChronoGal gleicht die Farben und Helligkeiten großer Sternstichproben auf einmal mit Sternmodellen ab, was für ganze Populationen Alter mit einer Genauigkeit von besser als 5 % liefert – etwa 500 Millionen Jahre für die ältesten.

Wie dick ist die Scheibe der Milchstraße?

Das hängt vom Alter der Sterne ab. Die jüngsten Sterne entstehen in einer Schicht, deren Skalenhöhe etwa 400 Lichtjahre beträgt, während die ältesten Populationen dieser Studie mehr als 4.100 Lichtjahre erreichen. Die Galaxie selbst ist etwa 100.000 Lichtjahre breit, sodass selbst die dicke Scheibe im Verhältnis zu ihrer Breite dünn ist.

Was bedeutet Upside-Down-Entstehung?

Es bedeutet, dass sich die Scheibe von oben nach unten bildete: Die ersten Sterne entstanden in einer dicken, turbulenten Gasschicht, und jede spätere Generation in einer dünneren, ruhigeren. Die gegenteilige Idee ist, dass jeder Stern dünn geboren wurde und erst im Laufe der Zeit nach oben driftete.

Was als Nächstes kommt

Der Artikel erschien am 16. Oktober 2026 in The Astrophysical Journal Letters, das IAC gab das Ergebnis am 19. Oktober bekannt. ChronoGal wird durch einen Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats finanziert und hat die gleiche Gaia-Methode bereits auf die innere Galaxie und die ältesten Scheibensterne angewendet.

Der nächste Test kommt am 2. Dezember 2026, wenn die ESA den Gaia-Datensatz Data Release 4 veröffentlicht, der 5,5 Jahre Beobachtungen umfasst. Schärfere Entfernungen und Bewegungen für weiter entfernte Sterne sollten es Teams ermöglichen zu überprüfen, ob der Knick bei 10,85 Milliarden Jahren auch jenseits der Sonnenumgebung auftritt – oder ob sich die Galaxie anderswo nach einer anderen Uhr beruhigte.

Referenz: Mirabal et al., „A Two-stage Settling of the Milky Way Disk Revealed by Precise ChronoGal Ages,“ The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb0a3

Schlagwörter: Astronomie, ChronoGal, dicke Scheibe, Gaia, Galaxienentstehung, Instituto de Astrofísica de Canarias