Mit Klang Geschichte der frühen Milchstraße erkunden

Einem Team von Astronominnen und Astronomen ist es gelungen, einige der ältesten Sterne in unserer Galaxie mit noch nie dagewesener Präzision zu datieren. Sie erreichten dies, indem sie Daten aus den Schwingungen der Sterne im Raum – ihrem „Klang” – mit Informationen über ihre chemische Zusammensetzung kombinierten. Eine Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP).

Quelle: AIP.

Sterndichtekarte der Milchstraße, erstellt mit dem StarHorse-Code unter Verwendung von Gaia-Daten. Auf der linken Seite ist das Gesichtsfeld des Kepler-Satelliten eingefügt. Die Punkte sind die APOGEE-Ziele im Kepler-Feld. Davon sind die älteren an Ort und Stelle geborenen Sterne in Magenta eingefärbt, die Sterne von Gaia Enceladus in Orange.
(Bild: Daten: ESA-Gaia-DPAC, APOGEE-DR16, AIP/A. Queiroz & StarHorse Team)

Einem Team von Astronominnen und Astronomen ist es gelungen, einige der ältesten Sterne in unserer Galaxie mit noch nie dagewesener Präzision zu datieren. Sie erreichten dies, indem sie Daten aus den Schwingungen der Sterne im Raum – ihrem „Klang“ – mit Informationen über ihre chemische Zusammensetzung kombinierten. Einige dieser alten Sterne waren einst Teil einer Satellitengalaxie, die in das Gravitationsfeld der frühen Milchstraße geriet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Milchstraße bereits vor der Verschmelzung vor rund 10 Milliarden Jahren eine beträchtliche Population ihrer Sterne gebildet hatte.

Die chemische Zusammensetzung, die Lage und die Bewegung der heute beobachteten Sterne in der Milchstraße verschlüsseln wertvolle Informationen über ihren Ursprung und ihre Geschichte. Durch die Kombination der präzisen Daten der zweiten Datenveröffentlichung der ESA-Weltraummission Gaia mit denen der hochauflösenden spektroskopischen Durchmusterung APOGEE identifizierten Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler kürzlich den außergalaktischen Ursprung einer bedeutenden Population der heutigen Halo-Sterne der Milchstraße. Mittels gründlicher Analysen stellten sie fest, dass diese Sterne Teil einer Satellitengalaxie namens Gaia-Enceladus waren, die vor rund 10 Milliarden Jahren in das Gravitationsfeld der Milchstraße fiel. Um zu verstehen, wie sich diese Verschmelzung auf unsere Galaxie ausgewirkt hat, bedarf es einer genauen Chronologie dieser Ereignisse in der frühen Geschichte der Milchstraße, die ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Birmingham (UoB) und unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) nun vorgenommen hat.

Infografik über Sterne in der Milchstraße,
(Bild: L. Makereth/Asterochronometry Kollaboration. Überarbeitete deutsche Version AIP/K. Riebe)

Dazu nutzten die Forschenden eine relativ neue Methode namens Asteroseismologie, die Untersuchung globaler, resonanter Moden in Sternen. Eine Analogie zu dieser Methode sind Musikinstrumente: Die Größe, Form und das Material verschiedener Instrumente bestimmen die Kombination und die relativen Amplituden und Phasen der verschiedenen Obertöne einer Frequenz – oder der Note – die unser Ohr erreichen. Diese sogenannte Klangfarbe erlaubt es uns, zwischen einem Cello und einer Posaune, zwischen einer Geige und einem Cello und für einige empfindliche Ohren auch zwischen einer Stradivari und einer modernen Geige zu unterscheiden. In ähnlicher Weise hängen die relativen Frequenzen und Amplituden der Eigenschwingungsformen der Sterne von den Eigenschaften des „stellaren Resonanzkastens“ ab, d.h. vom Radius des Sterns und der Dichteverteilung in seinem Inneren. Beide Eigenschaften ändern sich mit der Entwicklung des Sterns, und so können mit Hilfe von Computermodellen, die wie unser Gehirn bei der Identifizierung des Musikinstruments wirken, das Alter der Sterne genau abgeschätzt werden.

Die für die globalen Schwingungen des akkretierten Sterns KIC4143467 charakteristischen Klänge (oberes Bild). Die Tonhöhen (Frequenzen) der Klänge wurden um den Faktor 6 Millionen angehoben, um sie in den hörbaren Bereich zu bringen. Die Frequenzdifferenz zwischen den Radialmoden im Stern entspricht so der Musiknote c” (die Grundfrequenz, die von Saxophon und Klarinette in den beiden unteren Feldern gespielt wird).
(Bild: Asterochronometry Kollaboration)

Anhand der Frequenzen dieser Sterne, die mit Daten des Kepler-Satelliten in Kombination mit Gaia- und APOGEE-Daten ermittelt wurden, bestimmte das Team mit bisher unerreichter Präzision das relative Alter von etwa hundert roten Riesensternen. Einige dieser Sterne stammen aus Gaia-Enceladus und bilden einen Teil der Überreste der früh mit der Milchstraße verschmolzenen Zwerggalaxie.

Die nun in Nature Astronomy veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass diese akkretierten Sterne ein ähnliches, aber etwas jüngeres Alter haben als die Mehrheit der an Ort und Stelle geborenen Sterne. Dies deutet darauf hin, dass die Milchstraße zum Zeitpunkt der Kollision, in den ersten Milliarden Jahren der Galaxienentstehung, bereits effizient Sterne gebildet hat, welche sich jetzt hauptsächlich in ihrer dicken Scheibe befinden.

Asteroseismologie verwendet Informationen aus einzelnen Schwingungsfrequenzen – im Gegensatz zu umfassenden, durchschnittlichen Eigenschaften des Schwingungsspektrums – und erlaubt den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern so, sehr präzise relative Alter abzuleiten. Das Team beabsichtigt nun, diesen Ansatz auf größere Stichproben von Sternen anzuwenden und auch die subtileren Eigenschaften der Frequenzspektren einzubeziehen. Dies wird schließlich zu einem viel schärferen Blick auf die Verschmelzungsgeschichte und die Entstehung der Milchstraße führen: einer Art Zeitleiste der Entwicklung unserer Galaxie.

„Diese Ergebnisse illustrieren auf wunderbare Weise den Einfluss, den die Kombination von Kepler, APOGEE und Gaia auf dem Gebiet der Galaktischen Archäologie hat. Die Abfolge der Ereignisse in den ersten Schritten der Entstehung unserer Galaxie kann endlich sehr detailliert untersucht werden“, betont Dr. Cristina Chiappini, Wissenschaftlerin in der Abteilung Milchstraße und die lokale Umgebung am AIP und maßgeblich beteiligt am Projekt Asterochronometry, in dem die Forschungsergebnisse entstanden sind. Das an der Università di Bologna und der University of Birmingham behei­­­matete Gemein­schaftsprojekt bringt Forschende unterschiedlicher Fachgebiete zusammen und wird vom Europäischen Forschungsrat finanziert.

Soundfiles / Klangdateien (.mp3)
So “klingen” die Oszillationen des Sterns. Credit: Asterochronometry Kollaboration
Der Ton c” auf einem Saxophon. Credit: Asterochronometry Kollaboration
Der Ton c” auf einer Klarinette. Credit: Asterochronometry Kollaboration

Originalveröffentlichung
Montalbán, J., Mackereth, J.T., Miglio, A. et al.: Chronologically dating the early assembly of the Milky Way. Nat Astron (2021).

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