Quelle: Universität Wien 10. Juni 2024.

Wien, 10. Juni 2024 – Ein internationales Team von Astronom*innen unter der Leitung der Universität Wien hat die Entstehungsgeschichte von jungen Sternhaufen entschlüsselt, die wir teilweise am Nachthimmel mit freiem Auge sehen können. Das Team, geleitet von Cameren Swiggum und João Alves von der Universität Wien und Robert Benjamin von der University of Wisconsin-Whitewater berichtet, dass die meisten nahegelegenen jungen Sternhaufen nur drei Familien angehören, die jeweils aus sehr massereichen Sternentstehungsregionen stammen. Diese Forschung liefert auch neue Erkenntnisse über die Auswirkungen von Supernovae (gewaltige Explosionen am Lebensende von sehr massereichen Sternen) auf die Bildung gigantischer Gasstrukturen in Galaxien wie unserer Milchstraße. Die Ergebnisse dazu wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

„Junge Sternhaufen eignen sich hervorragend, um die Geschichte und den Aufbau der Milchstraße zu ergründen. Wenn wir ihre Bewegungen in der Vergangenheit und damit ihre Herkunft erforschen, erhalten wir auch wichtige Einblicke in die Entstehung und Evolution unserer Galaxie“, sagt João Alves von der Universität Wien, Co-Autor der Studie. Mithilfe präziser Daten der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und spektroskopischen Beobachtungen verfolgte das Team die Ursprünge von 155 jungen Sternhaufen in einem Umkreis von etwa 3.500 Lichtjahren um die Sonne. Ihre Analyse zeigt, dass diese Sternhaufen in drei Familien mit jeweils gemeinsamem Ursprung und Entstehungsbedingungen eingeteilt werden können. „Das weist darauf hin, dass die jungen Sternhaufen von nur drei sehr aktiven und massereichen Sternentstehungsregionen abstammen“, so Alves. Diese drei Sternenfamilien wurden nach ihren jeweils prominentesten Sternhaufen benannt: Collinder 135 (Cr135), Messier 6 (M6) und Alpha Persei (αPer).

„Diese Erkenntnisse liefern ein klareres Bild davon, wie junge Sternhaufen in unserer galaktischen Nachbarschaft wie Verwandte miteinander verbunden sind“, sagt Hauptautor Cameren Swiggum, Doktorand an der Universität Wien. „Indem wir die 3D-Bewegungen und früheren Positionen dieser Sternhaufen untersuchen, können wir ihre gemeinsamen Ursprünge identifizieren und die Orte in unserer Galaxie lokalisieren, in denen vor bis zu 40 Millionen Jahren die ersten Sterne in den dazugehörigen Sternhaufen entstanden sind.“

Diese gewaltigen Explosionen schufen vermutlich auch unsere „Lokale Bubble“
Die Studie ergab, dass sich bisher über 200 Supernova-Explosionen innerhalb dieser drei Sternhaufen-Familien ereignet haben müssen, welche enorme Energiemengen in ihre Umgebung freigesetzt haben. Die Autor*innen schlussfolgerten, dass diese Energie vermutlich die Gasverteilung in der lokalen Milchstraße stark beeinflusst hat. „Das wäre eine Erklärung für die Entstehung einer Superbubble, einer riesigen Blase aus Gas und Staub mit einem Durchmesser von 3.000 Lichtjahren um die Cr-135 Familie“, erklärt Swiggum. Auch unser Sonnensystem ist in einer solchen Blase eingebettet, die sogenannte Lokale Bubble, die mit sehr dünnem und heißem Gas gefüllt ist. „Die Lokale Bubble ist vermutlich auch mit der Geschichte einer der drei Sternhaufenfamilien verknüpft“, ergänzt Swiggum. „Und sie hat wahrscheinlich auch Spuren auf der Erde hinterlassen, worauf Messungen von Eisenisotopen (60Fe) in der Erdkruste hinweisen.“

„Wir können den Himmel praktisch in eine Zeitmaschine verwandeln, die es uns ermöglicht, die Geschichte unserer Heimatgalaxie nachzuverfolgen“, sagt João Alves. „Indem wir die Genealogie von Sternhaufen entschlüsseln, erfahren wir auch mehr über unsere eigene galaktische Abstammung.“ In Zukunft plant das Team um João Alves noch genauer zu erforschen, ob und wie unser Sonnensystem mit interstellarer Materie in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, interagiert hat.

Diese Forschung wurde vom ERC Advanced Grant ISM-FLOW (Alves), der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der NASA unterstützt.

Originalpublikation:
Cameren Swiggum, João Alves, Robert Benjamin et al: Most nearby young star clusters formed in three massive complexes. In Nature: 2024.
DOI: 10.1038/s41586-024-07496-9
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07496-9

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• Sternhaufen

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Quelle: Universität Wien.

„Supernovae-Explosionen sind faszinierende kosmische Ereignisse und besonders spannend ist, ob sie Spuren auf unserer Erde hinterlassen“, erklären Prof. Robin Golser und Dr. Martin Martschini von der Universität Wien, die an den Forschungsarbeiten beteiligt waren. Bei Untersuchungen von Tiefsee-Sedimenten aus dem Südostindischen Becken waren die Forscher*innen auf die Spur eines kontinuierlichen Staubeintrags aus dem interstellaren Raum gestoßen. Sedimente sind geologische Archive, sie konservieren die Zusammensetzung ihrer Umgebung über Millionen von Jahren hinweg. Das Hauptaugenmerk des Forschungsteams, das von Prof. Anton Wallner an der Australien National University (ANU) in Canberra geleitet wurde, galt dem Gehalt der untersuchten Sedimentschichten an einem sehr besonderen Isotop: Eisen-60.

In den letzten Tausenden von Jahren hat sich unser Sonnensystem durch eine dichtere Gas- und Staubwolke bewegt, die als lokale interstellare Wolke bekannt ist, deren Ursprung aber unklar ist. „Wenn diese Wolke in den letzten Millionen Jahren aus einer Supernova entstanden ist, würde sie Eisen-60 enthalten, ist sie wesentlich älteren Ursprungs, dann nicht – deshalb interessieren wir uns gerade für Sedimente jüngeren Entstehungsdatums, also der Zeit, die der Reise durch die interstellare Wolke entspricht“, beschreibt Wallner die Grundidee des Forschungsprojekts.

Auf der Suche nach dem außerirdischen Isotop
Eisen-60 entsteht, wenn massereiche Sterne bei Supernovae-Explosionen verglühen. Auf der Erde kommt es in natürlicher Form praktisch nicht vor. Eisen-60 ist schwach radioaktiv und nach etwa 15 Millionen Jahren nicht mehr nachweisbar. Auf der Erde gefundenes Eisen-60 muss also deutlich jüngeren Ursprungs sein. Die Forscher*innen nehmen an, dass eine relativ nahe Supernova in den letzten Millionen Jahren das Eisen-60 produziert haben könnte, das dann seinen Weg auf den Meeresboden und in die Sedimentablagerungen fand.

Als einzige Möglichkeit zum Nachweis extrem geringer Mengen von Spurenisotopen ist Beschleuniger-Massenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry, AMS) die Methode der Wahl. Das Alter der Proben wurde an der AMS-Anlage VERA (Vienna Environmental Research Accelerator) der Universität Wien und an der AMS-Anlage DREAMS des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf gemessen. Das Ergebnis: Die untersuchten Sedimente überstreichen die letzten 33.000 Jahre und tragen demnach Informationen über Veränderungen der Umwelt ab dem Jungpleistozän in sich. An der Heavy Ion Accelerator Facility der ANU suchten die Wissenschaftler*innen schließlich nach Eisen-60.

Blick in die jüngere Vergangenheit unseres Sonnensystems
Tatsächlich enthielten alle untersuchten Sedimente Eisen-60. Die aufgezeigten Konzentrationen sind jedoch extrem niedrig: Insgesamt wies der Teilchendetektor nur neunzehn einzelne Eisen-60-Atome nach. Die Forscher*innen schließen daraus, dass in den vergangenen 33.000 Jahren ungefähr 60 Gramm Eisen-60 aus dem Sternenstaub über den gesamten Erdball verteilt niedergegangen sind. Die beobachteten Atome von Eisen-60 im Sediment lassen sich einzelnen Epochen zuordnen und dokumentieren die jüngste Reise unseres Sonnensystems durch die lokale interstellare Wolke.

Diese neuen Ergebnisse werfen neue Fragen auf: warum scheint Eisen-60 so gleichmäßig im lokalen interstellaren Raum verteilt zu sein und wie steht das in Zusammenhang mit den vor vier Jahren publizierten Messungen von Eisen-60 in sehr viel älteren Sedimenten? Damals hat das Forschungsteam signifikant höhere Werte vor 2,6 Millionen Jahren und 6 bis 7 Millionen Jahren nachgewiesen.

In einer ebenfalls gerade publizierten Arbeit weist ein anderes Forschungsteam (B. Fields et al., DOI:10.1073/pnas.2013774117) darauf hin, dass in Staubpartikeln eingeschlossenes Eisen-60 im interstellaren Medium mehrmals reflektiert worden sein könnte. Das nachgewiesene Eisen-60 stammt also möglicherweise von älteren Supernovae-Explosionen, als eine Art kosmisches Echo.

Publikation:
A. Wallner, J. Feige, L.K. Fifield, M.B. Froehlich, R. Golser, M.A.C. Hotchkis, D. Koll, G. Leckenby, M. Martschini, S. Merchel, S. Panjkov, S. Pavetich, G. Rugel, S.G. Tims: 60Fe deposition during the late Pleistocene and the Holocene echoes past supernova activity, in PNAS, 2020 (DOI: 10.1073/pnas.1916769117).

Weitere Informationen:
https://isotopenphysik.univie.ac.at/

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• Supernovae

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Ein Beitrag von Roger Spinner. Quelle: Physical Review Letters.

Diese Theorie vertritt zumindest eine Gruppe deutscher Wissenschaftler, die vor kurzem deutliche Spuren einer Supernova auf dem Grunde des pazifischen Ozeans gefunden hat.
Währenddem sie in einer Tiefe von rund 4.725 Metern die Ablagerungen auf dem Meeresgrund durchsiebten, entdeckten Gunther Korschinek und seine Kollegen von der Technischen Universität München 28 verschiedene Schichten von FE-60, einem radioaktiven Eisen-Isotop.

Dieses Isotop stammt den Aussagen der Forscher zu Folge von nichts anderem als der Hitze, dem Druck und der Kerntätigkeit einer Supernova. „Fe-60 ist ein einzigartiger Indikator für das Aufspüren von Rückständen einer Supernova auf der Erde“, schreiben die Forscher in der jüngsten Ausgabe des Physical Review Letters.
Mit einer Zerfallsrate von ungefähr 1,5 Millionen Jahren spielt diese langlebige chemische Variante des Eisens eine Schlüsselrolle bei der Datierung von vergangenen Supernovaexplosionen. Nach Ansicht von Korschineks Team zeigen die gefunden Schichten von FE-60, dass der Stern vor etwa 2,8 Millionen Jahren, in einem Abstand von nur einigen zehn Parsecs (1 Parsec entspricht ungefähr 3,26 Lichtjahren) explodierte.

Dabei wurde die Erde nicht nur von fester Materie in Form von Eisen getroffen, sondern auch einem anhaltenden Fluss von kosmischer Strahlung ausgesetzt.

Zum ersten Mal waren die Forscher jetzt in der Lage, eine ausführliche Berechnung über die Zunahme der kosmischen Strahlung, sowie der Dauer dieses Ereignisses durchzuführen. Das Resultat zeigt eine Erhöhung der Strahlenwerte von nur wenigen Prozenten, dies aber über einen Zeitraum von einigen Jahrhunderten. Eine solch lang andauernde Einwirkung von erhöhter kosmischer Strahlung könnte einen nachhaltigen Einfluss auf das Klima unseres Planeten gehabt haben.

Obwohl es in der Fachwelt noch nicht als erwiesen gilt, dass eine solch starke Zunahme der Intensität der kosmischen Strahlung einen bedeutenden Einfluss auf das Klima der Erde gehabt haben könnte, bemerkten die Forscher Übereinstimmungen zwischen dem Beginn und der Dauer des erhöhten Strahlenniveaus und einer Veränderung im afrikanischen Klima.

Das afrikanische Klima wurde vor ungefähr 2,8 Millionen Jahren allmählich immer trockener. Einige der bedeutendsten Ereignisse der frühen Menschheitsgeschichte scheinen sich zeitgleich mit dieser Klimaänderung ereignet zu haben.

Währenddem das Klima immer trockener wurde, bildeten sich die Wälder in Afrika langsam zurück und wichen einer immer grösser werdenden Savannenlandschaft. Anthropologen glauben, dass dies die damals lebenden Hominiden gezwungen hat von den Bäumen zu klettern und allmählich den aufrechten Gang zu erlernen.

Die Idee, dass innerhalb der letzten Millionen Jahre eine Supernova in unserer Nähe explodiert ist, erscheint durchaus glaubwürdig. Das dadurch eine Schicht langlebigen radioaktiven Materials – nicht nur FE-60 – zurück zu verfolgen, klingt ebenfalls plausibel. Um diese Theorie zu erhärten ist es nun von grosser Bedeutung, dass man in den Schichten auch noch andere instabile Isotope wie Mn-53, Cl-36, Al-26 oder Pu-244 findet. Gelänge dies, so würde dies unser Wissen über die Prozesse, die bei einer Supernovaexplosion ablaufen, wieder einen grossen Schritt weiter bringen.

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