Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 21. März 2024.

21. März 2024 – Der neue Fund ist das astronomische Äquivalent dazu, dass Archäologen Spuren einer ersten Siedlung finden, die sich später zu einer großen Stadt entwickelte. Die Rekonstruktion gelang mit Hilfe von Daten für fast 6 Millionen Sterne aus der ESA-Mission Gaia und der SDSS-Durchmusterung. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal veröffentlicht.

Die Frühgeschichte unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, ist eine Geschichte des Zusammenfügens kleinerer Galaxien – also bereits für sich genommen ziemlich großer Bausteine. Nun konnten Khyati Malhan und Hans-Walter Rix vom Max-Planck-Institut für Astronomie zwei der frühesten solchen Bausteine identifizieren, die heute noch als solche zu erkennen sind: proto-galaktische Fragmente, die vor 12 bis 13 Milliarden Jahren, als die Galaxienbildung im Universum noch ganz am Anfang war, mit einer frühen Version unserer Milchstraße verschmolzen. Die Astronomen haben jene Komponenten Shakti und Shiva getauft. Identifiziert werden konnten sie durch die Kombination von Daten des ESA-Astrometrie-Satelliten Gaia mit Daten aus der SDSS-Durchmusterung. Für die Astronomie ist dieser Fund gleichbedeutend mit der Entdeckung von Spuren einer ersten Siedlung, die sich zu einer großen heutigen Stadt entwickelte.

Dem Ursprung von Sternen aus anderen Galaxien auf der Spur
Wenn Galaxien zusammenstoßen und verschmelzen, geschehen mehrere Dinge parallel: Jede Galaxie führt ihr eigenes Reservoir an Wasserstoffgas mit sich. Bei der Kollision werden diese Wasserstoffgaswolken instabil. Teilregionen davon kollabieren und bilden so zahlreiche neue Sterne. Andererseits besitzen auch die ankommenden Galaxien ihre eigenen Sterne, und bei einer Verschmelzung vermischen sich die Sterne der Galaxien. Langfristig werden diese „akkretierten Sterne“ Teil der Sternpopulation der neu entstandenen kombinierten Galaxie. Man könnte denken, es sei hoffnungslos, nachträglich, nämlich nach Abschluss des Verschmelzungsprozesses, herauszufinden, welche Sterne aus welcher Vorgängergalaxie stammen. Tatsächlich gibt es aber zumindest einige Möglichkeiten, die Abstammung solcher Sterne zurückzuverfolgen.

Glücklicherweise kann die Physik an dieser Stelle weiterhelfen. Wenn Galaxien kollidieren und sich ihre Sternpopulationen vermischen, behalten die meisten Sterne grundlegende Eigenschaften bei, die direkt mit der Geschwindigkeit und der Richtung der Galaxie zusammenhängen, aus der sie stammen. Sterne aus ein und derselben Galaxie, die mit unserer Milchstraße verschmolz, haben sehr ähnliche Werte sowohl für ihre Energie als auch für das, was Physiker als Drehimpuls bezeichnen – vereinfacht gesagt: der Schwung, der mit einer Kreisbewegung oder Rotation verbunden ist. Bei Sternen, die sich im Gravitationsfeld einer Galaxie bewegen, bleiben sowohl Energie als auch Drehimpuls über lange Zeiträume hinweg erhalten. Größere Gruppen von Sternen, die alle ungefähr dieselben ungewöhnlichen Werte für Energie und Drehimpuls haben, sind gute Kandidaten für den Überrest einer Galaxie, die mit der Milchstraße verschmolz.

Weitere Hinweise können bei der Identifizierung helfen. Sterne, die in jüngerer Zeit entstanden sind, enthalten einen höheren Anteil an schwereren Elementen (in der Sprache der Astronomie sind das „Metalle“) als Sterne, die vor langer Zeit entstanden sind. Je niedriger der Metallgehalt (die „Metallizität“), desto früher dürfte der betreffende Stern entstanden sein. Wenn man versucht, Sterne zu identifizieren, die bereits vor 13 Milliarden Jahren existierten, sollte man nach Sternen mit sehr geringem Metallgehalt („metallarm“) suchen.

Virtuelle Daten-Ausgrabungen
Es ist allerdings erst seit vergleichsweise kurzer Zeit möglich, auf diese Weise Sterne zu identifizieren, die sich unserer Milchstraße im Laufe solch eines Verschmelzungsprozesses angeschlossen haben. Dazu sind große, qualitativ hochwertige Datensätze erforderlich, die für die Analyse auf geschickte Weise gesichtet werden müssen, um die gesuchte Objektklasse zu identifizieren – und solche Datensätze sind erst seit einigen Jahren verfügbar. Der ESA-Astrometrie-Satellit Gaia bietet einen idealen Datensatz für diese Art von galaktischer Big-Data-Archäologie. Er wurde 2013 gestartet und hat in den vergangenen zehn Jahren einen immer genaueren Datensatz produziert, der mittlerweile Positionen, Positionsänderungen und Entfernungen für fast 1,5 Milliarden Sterne in unserer Galaxie enthält.

Die Gaia-Daten haben das Studium der Dynamik der Sterne in unserer Heimatgalaxie auf eine ganz neue Grundlage gestellt. Auf Basis dieser Daten wurden bereits eine ganze Reihe neuer Strukturen in unserer Milchstraße entdeckt. Eine davon ist der Gaia-Enceladus/Sausage-Sternstrom, ein Überbleibsel der jüngsten größeren Verschmelzung, die unsere Heimatgalaxie durchlaufen hat – vor 8 bis 11 Milliarden Jahre. Zwei weitere Strukturen waren im Jahr 2022 identifiziert worden: Der von Malhan und Kolleg*innen identifizierte Pontus-Strom und das von Rix und Kolleg*innen identifizierte „arme alte Herz“ der Milchstraße. Bei letzterem handelt es sich um eine Population von Sternen, die während der allerersten Fusionen, aus denen die Proto-Milchstraße hervorging, neu entstanden sind und sich weiterhin in der zentralen Region unserer Galaxie befinden.

Spuren von Shakti und Shiva
Den hier beschriebenen Fund machten Malhan und Rix mit Hilfe von Gaia-Daten in Kombination mit hochaufgelösten Sternspektren des Sloan Digital Sky Survey (DR17). Letztere liefern detaillierte Informationen über die chemische Zusammensetzung der Sterne. Malhan sagt: „Für eine bestimmte Gruppe metallarmer Sterne gibt es eine Häufung bei zwei bestimmten Kombinationen von Energie und Drehimpuls.“

Im Gegensatz zum „armen alten Herzen“, das die Astronomen ebenfalls in den entsprechenden Diagrammen ausmachen, wiesen die beiden Gruppen gleichgesinnter Sterne dabei einen vergleichsweise großen Drehimpuls auf. Genau das würde man für Gruppen von Sternen erwarten, die zu separaten Galaxien gehörten, welche dann mit der Milchstraße verschmolzen. Malhan nannte diese beiden Strukturen Shakti und Shiva, letztere eine der Hauptgottheiten des Hinduismus und erstere eine weibliche kosmische Kraft, die oft als Gefährtin Shivas dargestellt wird.

Die Energie- und Drehimpulswerte sowie die insgesamt niedrige Metallizität, die in etwa jener des „armen alten Herzens“ entspricht, machen Shakti und Shiva zu guten Kandidaten für einige der frühesten Vorfahren unserer Milchstraße. Rix sagt: „Shakti und Shiva könnten die ersten beiden Neuzugänge zum ‚armen alten Herzen‘ unserer Milchstraße sein, die ihr Wachstum zu einer großen Galaxie einleiteten.“

Mehrere Durchmusterungen, die entweder bereits laufen oder in den nächsten Jahren beginnen werden, versprechen relevante zusätzliche Daten, sowohl Spektren (SDSS-V, 4MOST) als auch genaue Entfernungen (LSST/Rubin-Observatorium). Sie sollten es den Astronomen ermöglichen, eine eindeutige Entscheidung darüber zu treffen, ob Shakti und Shiva tatsächlich ein Blick auf die früheste Vorgeschichte unserer Heimatgalaxie sind oder nicht.

Originalveröffentlichung
K. Malhan & H.-W. Rix
SHIVA and SHAKTI: Presumed Proto-Galactic Fragments in the Inner Milky Way
The Astrophysical Journal, Vol. 964 (Issue 2), 104 (2024)
dx.doi.org/10.3847/1538-4357/ad1885
pdf: https://www.mpg.de/21722952/malhan_rix_2024_apj_964_104.pdf

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• Die Milchstraße

Der Beitrag MPIA: Forscher identifizieren zwei der frühesten Bausteine der Milchstraße erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: MPIA 22. Juni 2023.

22. Juni 2023 – Das Ergebnis ermöglicht zudem eine neue Art von Vergleich zwischen unserer Heimatgalaxie und den vielen fernen Galaxien, die wir von außen beobachten. Es liefert damit einen Teil der Antwort auf die alte Frage, ob unsere Heimatgalaxie etwas Besonderes ist: Zumindest was die chemische Zusammensetzung betrifft, ist unsere Milchstraße ungewöhnlich, aber nicht einzigartig.

Wir sehen ferne Galaxien von außen: Teleskopbeobachtungen zeigen uns die Form einer Galaxie und ihr Spektrum (die regenbogenartige Aufspaltung des Lichts eines Himmelsobjekts). Wie würde also unsere eigene Galaxie aus dieser Perspektive für „extragalaktische“ Astronom*innen aussehen, die nicht von unserer eigenen, sondern von einer anderen Galaxie aus das Weltall erforschen? Das ist eine schwierigere Frage, als es zunächst scheinen mag. Schließlich haben die Astronom*innen hier auf der Erde recht raffinierte Methoden entwickelt, um aus ihren Beobachtungen die Eigenschaften einer Galaxie zu rekonstruieren, und extragalaktische Astronom*innen dürften ihnen darin nicht nachstehen.

Die Antwort auf die Frage nach den Erkenntnissen extragalaktischer Astronom*innen ist damit gar nicht so einfach zu beantworten. Aber die Antwort ist durchaus auch für unsere irdische Forschung interessant. Jianhui Lian (Max-Planck-Institut für Astronomie und Universität Yunnan), der Hauptautor der jetzt veröffentlichten Studie, sagt: „Seit Astronom*innen vor hundert Jahren erkannt haben, dass die Milchstraße nicht die einzige Galaxie im Universum ist, haben sie sich gefragt, ob unsere Milchstraße etwas Besonderes ist oder nicht. Um diese Frage beantworten zu können, müssen wir Möglichkeiten finden, unsere Heimatgalaxie mit weit entfernten Galaxien zu vergleichen.“

Fortschritte bei Daten und Simulationen
Die Frage mag alt sein; dass wir darauf für die Chemie unserer Heimatgalaxie eine Antwort finden können, ist dagegen durchaus neu. Zum einen hat es in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte bei der systematischen Erforschung unserer Heimatgalaxie gegeben. Durchmusterungen wie APOGEE haben mit Hilfe der Auswertung von Sternspektren Informationen über die chemische Zusammensetzung, die physikalischen Eigenschaften und die 3D-Bewegungen von Millionen einzelner Sterne in unserer Milchstraße geliefert. Auch für weit entfernte Galaxien gibt es viel mehr und viel bessere Daten als je zuvor. Bei der MaNGA-Durchmusterung beispielsweise wurden fast 10 000 Galaxien eingehend untersucht. Während frühere Durchmusterungen, die auf so viele Galaxien abzielten, nur ein Gesamtspektrum pro Galaxie lieferten, zeichnet MaNGA ein „spektrales Bild“, das zeigt, wie z. B. die chemische Zusammensetzung jeder Galaxie vom Zentrum zu den äußeren Regionen hin variiert.

Nicht zuletzt zeichnen moderne Simulationen der Galaxienentstehung und -entwicklung, wie die TNG50-Simulation (https://www.tng-project.org), die Geschichte von Tausenden von Galaxien in einem Modelluniversum von der Zeit nach dem Urknall bis zur Gegenwart nach. All diese Fortschritte waren nötig damit wir eine Antwort auf die Frage finden können, was außergalaktische Astronom*innen herausfänden, wenn sie ihre Teleskope auf die Milchstraße richten und deren chemische Zusammensetzung studieren würden.

Extragalaktische Astronomie
Genau das hat eine neue Studie unter der Leitung von Lian und Maria Bergemann (Max-Planck-Institut für Astronomie) getan. Konkret untersuchten Lian, Bergemann und ihre Kollegen die chemische Zusammensetzung von Sternen. Die Sterne, die wir um uns herum sehen, bestehen größtenteils aus Wasserstoff und Helium. Sie enthalten aber auch ein paar Elemente, die schwerer sind als Helium – solche Elemente heißen in der Astronomie (aber nicht in der gewöhnlichen Chemie!) „Metalle“.

Einige dieser Metalle entstehen im Inneren von Sternen und werden in den Weltraum geschleudert, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens explodieren. Andere entstehen in den äußeren Schichten aufgeblähter Riesensterne und werden von dort aus ins All geschleudert. Dabei gibt es einen allgemeinen Trend: Die Konzentration von Metallen im interstellaren Medium – in dem dünnen Gemisch aus Gas und Staub, das den Raum zwischen den Sternen ausfüllt – nimmt mit der Zeit zu. Sterne, die früher geboren wurden, enthalten weniger Metalle, später geborene Sterne enthalten mehr. Findet man heraus, in welchen Regionen einer Galaxie es Sterne mit weniger oder mehr Metallen gibt, dann kann man auf diese Weise rekonstruieren, in welcher Region die Sterne früher und in welcher Region sie später entstanden sind.

Von der lokalen Kosmologie zur Außenansicht
Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist derzeit die einzige Spiralgalaxie, in der wir direkt eine groß angelegte Durchmusterung vieler einzelner Sterne durchführen können. Wir können die Positionen von Sternen innerhalb unserer Galaxie messen und über ihre Spektren ihren Metallgehalt, ihre Oberflächentemperatur und andere physikalische Eigenschaften feststellen. Lian, Bergemann und ihre Kollegen machten sich daran, zu rekonstruieren, was extragalaktische Astronom*innen sehen würden, wenn sie das Vorkommen von Metallen in der Milchstraße kartieren würden. Da unsere Heimatgalaxie eine Scheibengalaxie ist, lautet die Schlüsselfrage: Wie würde eine extragalaktischer Astronom*in aus der Ferne die Häufigkeit von Metallen in Abhängigkeit von der Entfernung einer Region vom Zentrum unserer Galaxie rekonstruieren?

Das herauszufinden erfordert einiges an Arbeit. Die Daten aus der APOGEE-Durchmusterung waren nur der Ausgangspunkt. Als Nächstes mussten die Forscher*innen die Tatsache berücksichtigen, dass wir von der Erde aus keinen freien Blick auf die Milchstraße haben: In einigen Richtungen befindet sich mehr Staub zwischen uns und weiter entfernten Sternen, der das Licht der Sterne abschwächt und einige der schwächsten Sterne ganz verdeckt. In anderen Richtungen wird es weniger Staub geben. Die Forscher*innen mussten die Beobachtungsdaten sowie das, was wir über Staub und die Eigenschaften von Sternen wissen, kombinieren, um die tatsächliche Verteilung der Sterne in unserer Galaxie zu rekonstruieren.

Der hochmetallische „Gürtel“ unserer Galaxis
Die Ergebnisse lieferten eine Überraschung. Verfolgt man den durchschnittlichen Metallgehalt der Sterne vom Zentrum der Galaxie aus nach außen, so steigt er an und erreicht in einer Entfernung von etwa 23 000 Lichtjahren vom Zentrum einen Metallgehalt, der dem unserer Sonne nahe kommt. (Zum Vergleich: Unsere Sonne ist rund 26 000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt.) In noch größerer Entfernung sinkt der durchschnittliche Metallgehalt dann allerdings wieder ab und beträgt in etwa 50 000 Lichtjahren Entfernung vom Zentrum nur noch ein Drittel des Sonnenwerts.

Um zu verstehen, was dort vor sich ging, untersuchten die Forscher Sterne verschiedener Altersgruppen – die APOGEE-Spektren ermöglichen immerhin eine grobe Schätzung des Sternalters. Bei der getrennten Betrachtung jüngerer und älterer Sterne stellten sie fest, dass jede Altersgruppe für sich einem ungebrochenen Trend folgt, mit einem höheren Metallgehalt näher am Zentrum und einem niedrigeren weiter außen. Der Anstieg und das Maximum der Gesamtverteilung waren ausschließlich darauf zurückzuführen, dass ältere Sterne (mit viel geringerem Metallgehalt) in der Nähe des galaktischen Zentrums häufiger vorkamen und somit den Gesamtdurchschnitt nach unten zogen, während jüngere Sterne weiter draußen häufiger wurden.

Unsere Milchstraße im intergalaktischen Vergleich
Lian, Bergemann und ihre Kollegen verglichen dieses interessante Ergebnis mit den Eigenschaften anderer Galaxien. Einerseits betrachteten sie dazu 321 Galaxien in der MaNGA-Durchmusterung, die alle eine ähnliche Masse wie die Milchstraße haben, ähnliche Mengen an Sternen produzieren und die wir alle einigermaßen in Draufsicht sehen, so dass die Änderung der durchschnittlichen Metallizität gemessen werden kann. Andererseits wandten die Forscher*innen die gleichen Kriterien an, um 134 milchstraßenähnliche Galaxien im Modelluniversum der TNG50-Simulation zu identifizieren.

Wie besonders ist also unsere Heimatgalaxie – oder eben nicht? Die Antwort in Bezug auf die chemische Zusammensetzung: Was die Verteilung der Metallhäufigkeiten angeht, ist unsere Milchstraße zwar ungewöhnlich, aber nicht einzigartig. Nur 11 % der Galaxien in der TNG50-Stichprobe und etwa 1 % der Galaxien in der MaNGA-Stichprobe zeigten ein ähnliches Auf und Ab der durchschnittlichen Metallizität. Die Diskrepanz zwischen 11 % und 1 % dürfte auf eine Kombination aus Unsicherheiten in den MaNGA-Daten und auf die Grenzen des Realismus des TNG50-Modelluniversums zurückzuführen zu sein.

Außerdem ist die Abnahme der durchschnittlichen Metallizität in den äußeren Regionen mit zunehmender Entfernung vom Zentrum bei der Milchstraße im Vergleich zu den MaNGA- und TNG50-Galaxien eher steil.

Die Frage nach dem Warum
Warum also hat die Milchstraße diese vergleichsweise ungewöhnlichen Eigenschaften, und was bedeuten diese Eigenschaften für die Entstehungsgeschichte unserer Heimatgalaxie? Es gibt mehrere Möglichkeiten, die vergleichsweise geringe Anzahl metallreicher Sterne in der Nähe des galaktischen Zentrums zu erklären. Sie könnte mit der Entstehung des so genannten Bulge zusammenhängen, einer näherungsweise kugelförmigen Region älterer Sterne, die das galaktische Zentrum in einer Entfernung von etwa 5000 Lichtjahren umgibt. Die Bildung des Bulges dürfte den größten Teil des verfügbaren Wasserstoffgases verbraucht haben, was die spätere Sternbildung in diesem Bereich erheblich erschwert hätte. Alternativ könnte die Knappheit mit einer aktiven Phase zusammenhängen, in der aus der unmittelbaren Nachbarschaft des zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie Teilchen und Strahlung emittiert wurden, die die Sternentstehung hemmten.

Die Metallizität in den äußeren Regionen kann durch verschiedene Szenarien erklärt werden, welche die Entwicklung des Gases in unserer Heimatgalaxie mit der Geschichte der Sternentstehung in der galaktischen Scheibe kombinieren. Der steile Rückgang könnte ein Zeichen für eine ungewöhnliche Episode in der Geschichte unserer Galaxie sein – zum Beispiel könnte er darauf zurückgehen, dass unsere Heimatgalaxie eine kleinere Galaxie mit Gas „verschluckte“, die nur sehr wenig an Metallen enthielt. Dieses Gas hätte dann später als Rohstoff für die Bildung von Sternen mit weniger Metallen in der Scheibe gedient. Außerdem ist möglich, dass unsere Schätzung für die Ausdehnung der stellaren Scheibe der Milchstraße falsch ist und dass dieser Fehler den Vergleich mit anderen Galaxien verzerrt, wenn es darum geht zu beurteilen, wie steil die Metallizität abnimmt.

Ausblick
Maria Bergemann sagt zu den neuen Ergebnissen: „Die Ergebnisse sind sehr spannend! Das hier ist das erste Mal, dass wir die chemische Zusammensetzung unserer Galaxis sinnvoll mit den Messungen an zahlreichen anderen Galaxien vergleichen können. Die Ergebnisse sind wichtig für die nächste Generation umfassender Studien zur Galaxienentstehung. Solche Studien werden Daten aus zukünftigen, groß angelegten Beobachtungsprogrammen nutzen, die auf die Milchstraße oder auf weit entfernte Galaxien abzielen. Unsere Forschung zeigt, wie man diese beiden Arten von Datensätzen sinnvoll kombinieren kann.“

Alles in allem wirft die hier beschriebene Forschung eine Reihe von interessanten Fragen auf. Mit neuen Durchmusterungen und neuen Studien, die die Perspektive eines „extragalaktischen Astronom*innen“ einnehmen, können wir hoffen, Antworten zu finden und dabei die Geschichte unserer Heimatgalaxie besser zu verstehen.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden als J. Lian et al. „The integrated metallicity profile of the Milky Way“ in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41550-023-01977-z, https://www.nature.com/articles/s41550-023-01977-z, pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-023-01977-z.pdf).

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Jianhui Lian (außerdem Universität Yunnan), Maria Bergemann und Annalisa Pillepich in Zusammenarbeit mit Gail Zasowski (University of Utah) und Richard R. Lane (Universidad Bernardo O’Higgins, Santiago, Chile).

Diese Forschung wurde im Rahmen des ERC-Projekts ELEMENTS (https://www2.mpia-hd.mpg.de/~bergemann/elements.html) durchgeführt.

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• Die Milchstraße

Der Beitrag Wie die Chemie unserer Heimatgalaxie für extragalaktische Astronom*innen aussieht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Plank-Institut für Astronomie (MPIA).

Dezember 2022. Die Geschichte unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, erstreckt sich über rund 13 Milliarden Jahre – entsprechend fast der gesamten Geschichte unseres Universums. In den letzten Jahrzehnten ist es Astronom*innen gelungen, verschiedene Epochen der galaktischen Geschichte zu rekonstruieren. Das Vorgehen dabei ähnelt der Art und Weise, wie Archäolog*innen die Geschichte einer Stadt rekonstruieren würden: Für einige Gebäude gibt es eindeutige Baudaten. Bei anderen deuten die Verwendung primitiverer Baumaterialien oder ältere Baustile darauf hin, dass sie früher entstanden sind. Auch der Umstand, dass Überreste von Gebäuden unter anderen (und damit neueren) Strukturen gefunden werden gibt wichtige Anhaltspunkte. Nicht zuletzt sind räumliche Muster wichtig: In vielen Städten gibt es eine zentrale Altstadt, die von deutlich neueren Stadtteilen umgeben ist.

Bei Galaxien, und insbesondere bei unserer Heimatgalaxie, verläuft die kosmische Archäologie ganz ähnlich. Die Grundbausteine einer Galaxie sind ihre Sterne. Für eine kleine Untergruppe von Sternen können die Astronomen genau bestimmen, wie alt sie sind. Dies gilt zum Beispiel für die so genannten Unterriesen, eine kurze Phase der Sternentwicklung, in der man anhand der Helligkeit und Temperatur eines Sterns auf sein Alter schließen kann.

Altersabschätzungen aus der Sternchemie

Allgemeiner gibt es für fast alle Sterne einen „Baustil“, der zumindest ungefähre Rückschlüsse auf das Alter erlaubt: die so genannte Metallizität eines Sterns, definiert als die Menge an chemischen Elementen schwerer als Helium in der Atmosphäre des Sterns. Solche Elemente, die in der Sprechweise der Astronomie „Metalle“ heißen, entstehen im Sterninneren durch Kernfusion und werden kurz vor oder am Ende des Lebens eines Sterns freigesetzt. Für leichtere Elemente ist das der Fall, wenn die Außenregionen eines massearmen Sterns in den Weltraum hinaus driften, für schwerere Elemente nur dann, wenn ein massereicher Stern als Supernova explodiert und einen beachtlichen Teil seiner Materie ins All schleudert. Solche Prozesse reichern das interstellare Gas mit schwereren Elementen an, und aus jenem Gas entsteht dann die nächste Generation von Sternen – jede Generation mit einer höheren Metallizität als die vorigen.

Was die großräumigen Strukturen anbelangt, so ist eine Galaxie natürlich weniger statisch als eine Stadt – Gebäude bewegen sich in der Regel nicht, Sterne hingegen schon. Aber gerade die Bewegungsmuster der Sterne enthalten aufschlussreiche Informationen. In der Milchstraße kann die Bewegung von Sternen zum Beispiel auf die zentralen Regionen beschränkt sein, oder sie kann Teil der geordneten Rotation der Sterne in der Scheibe unserer Heimatgalaxie sein (in zwei Komponenten: die sogenannte „dünne Scheibe“ oder „dicke Scheibe“). Alternativ können Sternbahnen Teil des chaotischen Wirrwarrs von Bahnen in dem ausgedehnten sogenannten Halo unserer Galaxie sein – einschließlich extrem langgestreckter Bahnen, die Sterne immer wieder von den innersten zu den äußersten Regionen führen und wieder zurück.

Wie große Galaxien allmählich wachsen

So wie Städte einen Bauboom oder intensive Umbauphasen durchlaufen können, wird die Geschichte von Galaxien durch Verschmelzungen und Kollisionen geprägt sowie durch große Mengen an frischem Wasserstoffgas, das über Milliarden Jahre hinweg von außen in eine Galaxie einströmen kann – das Rohmaterial, aus dem sich neue Sterne bilden. Ganz am Anfang der Geschichte einer Galaxie stehen dabei kleineren Proto-Galaxien: Raumregionen mit einer höheren als der durchschnittlichen Massendichte, in denen bereits vergleichsweise kurz nach dem Urknall Gaswolken kollabieren und Sterne bilden.

Stoßen solche Proto-Galaxien zusammen und verschmelzen miteinander, bildet sich eine größere Galaxie. Fügt man diesen etwas größeren Gebilden später noch eine weitere Proto-Galaxie hinzu, dann kann folgendes passieren: Fliegt jene weitere Proto-Galaxie nicht exakt auf das Zentrum ihres Kollisionspartners zu, sondern hinreichend weit seitlich versetzt (physikalisch: „mit hinreichend großem Bahndrehimpuls“), dann kann bei der Kollision rund um die ursprüngliche Galaxie eine Scheibe mit Sternen entstehen. Verschmelzen dagegen zwei bereits ausreichend große Galaxien („major merger“), heizen sich ihre Gasreservoirs auf und bilden letztlich eine komplizierte elliptische Galaxie, mit einem komplexen Muster von Umlaufbahnen für die vorhandenen älteren Sterne aber so gut wie keiner neuen Sternentstehung.

Entsprechende Geschichten von Galaxien lassen sich mit einer Kombination aus Beobachtungen und Simulationen rekonstruieren. Und während die hier geschilderten Entwicklungsmöglichkeiten in groben Zügen bereits seit einigen Jahrzehnten bekannt sind, haben sich die Einzelheiten erst in jüngster Zeit herauskristallisiert – zum großen Teil dank einer Reihe von Durchmusterungen, die bessere und umfassendere Daten geliefert haben als zuvor verfügbar waren. Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, spielt dabei eine herausgehobene Rolle. Sie ist per Definition diejenige Galaxie, deren Sterne wir am besten und detailliertesten untersuchen können. Eine Untersuchung der Geschichte unserer Heimatgalaxie, mit anderen Worten: galaktische Archäologie, ermöglicht es uns nicht nur, einen Teil unserer eigenen Geschichte zu rekonstruieren. Sie liefert uns auch Erkenntnisse über die Entwicklung von Galaxien im Allgemeinen („lokale Kosmologie“).

Was kam vor den Jugendjahren unserer Milchstraße?

Die archäologische Rekonstruktion, um die es bei den neuen Ergebnissen geht, schließt an eine Untersuchung aus dem Frühjahr 2022 an. Damals hatten die MPIA-Forscher Maosheng Xiang und Hans-Walter Rix Daten des ESA-Satelliten Gaia und der Spektraldurchmusterung LAMOST genutzt, um das Alter von Sternen für eine beispiellos umfangreicher Stichprobe von 250.000 sogenannten Unterriesen zu bestimmen. Anhand dieser Analyse konnten die Astronomen die bewegte Jugend der Milchstraße vor 11 Milliarden Jahren ebenso rekonstruieren wie ihr anschließendes eher ereignislos-ruhiges Erwachsenendasein.

Die erwähnten Jugendjahre fielen mit der letzten bedeutenden Verschmelzung einer anderen Galaxie mit der Milchstraße zusammen. Jene andere Galaxie war die sogenannte Gaia Enceladus/Sausage-Galaxie, deren Überreste 2018 im Halo der Milchstraße entdeckt wurde. Die Verschmelzung löste eine Phase intensiver Sternentstehung aus und führte auf diese Weise zur Ausbildung einer vergleichsweise dicken Scheibe von Sternen, die wir heute sehen können. Im Erwachsenenalter dagegen ging es in punkto Sternentstehung viel ruhiger zu: mit allmählichem Zuströmen von Wasserstoffgas, das sich in der Struktur ansammelte, die wir heute die „dünne Scheibe“ unserer Galaxie nennen. Dort bildeten sich aus jenem Wasserstoffgas dann ebenso allmählich über Milliarden von Jahren hinweg neue Sterne.

Was Xiang und Rix dabei allerdings auffiel war, dass die ältesten Sterne aus jener Jugendzeit bereits eine nicht allzu kleine Metallizität aufwiesen, nämlich rund 10 % der heutigen Metallizität unserer Sonne. Offensichtlich musste es vor der Entstehung jener Sterne noch frühere Generationen von Sternen gegeben haben, die das interstellare Medium bei ihrem Ableben bereits mit schweren Elementen „verschmutzt“ hatten.

Was Simulationen über die uralten Kernregionen der Milchstraße sagen

Die Existenz solcher früheren Sterngenerationen wiederum war keine Überraschung, denn genau solche früheren Generationen von Sternen zeigen auch aufwändige Simulationen der kosmischen Geschichte. Jene Simulationen sagen außerdem voraus, wo sich heute noch Vertreter jener früheren Sterngenerationen finden lassen sollten!

Konkret liefern diese Simulationen für die Anfänge dessen, was später unsere Milchstraße wurde, Szenarien mit drei oder vier Proto-Galaxien, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander gebildet hatten, anschließend miteinander verschmolzen, und deren Sterne sich zu einem vergleichsweise kompakten Gebilde mit einem Durchmesser von nicht mehr als ein paar tausend Lichtjahren zusammenfanden.

Dass später noch weitere Galaxien mit jener ursprünglichen Milchstraße verschmolzen, führte zur Entstehung weiterer Strukturen, insbesondere der Scheibenstruktur und des Halos. Aber die Simulationen legen nahe, dass ein Teil des ursprünglichen Kerns relativ unversehrt überlebte. Demnach sollte es möglich sein, Sterne aus dem anfänglichen kompakten Kern, dem „uralten Herzen der Milchstraße“, auch heute noch in und nahe den Zentralregionen unserer Galaxie zu finden – Milliarden von Jahren später.

Die Suche nach dem uralten Kern

An diesem Punkt begann sich Rix, konkrete Gedanken zu machen, wie sich tatsächlich Sterne aus dem alten Kern unserer Galaxie finden ließe. Er wusste aber, dass er, wenn er mehr als ein paar Dutzend solcher Sterne finden wollte, eine komplett neue Beobachtungsstrategie würde anwenden müssen. Das LAMOST-Teleskop, das in der vorherigen Studie die Hauptrolle gespielt hatte, kann aufgrund seines Standorts auf der Erde und des Problems mit Beobachtungen während der Monsunmonate im Sommer die Kernregionen der Milchstraße überhaupt nicht beobachten. Und Unterriesen, als Stichprobe der Wahl in der früheren Studie, sind zu lichtschwach, als dass sie jenseits von Entfernungen von etwa 7.000 Lichtjahren beobachtet werden könnten. Was sie angeht liegen die Kernregionen unserer Galaxie völlig außer Reichweite möglicher Beobachtungen.

An dieser Stelle wird wichtig, dass es neben den seltenen Unterriesen, deren Alter sich genau bestimmen lässt, noch den allgemeineren Altersindikator der Metallizität gibt – die oben erwähnten „unterschiedlichen Baustile“, die es erlauben, Sterne in ältere und jüngere einzuteilen. Hinzu kam, dass im Juni 2022 der dritte Datensatz (Data Release 3, DR3) der Gaia-Mission der ESA veröffentlicht wurde. Seit 2014 hat Gaia für mehr als eine Milliarde Sterne hochpräzise Positions- und Bewegungsparameter gemessen, einschließlich der Sternentfernungen. Damit hat die Mission (neben anderen Teilbereichen der Astronomie) die galaktische Astronomie revolutioniert. DR3 war die erste Datenveröffentlichung, die zusätzlich die ersten der mit Gaia aufgenommenen Spektren enthielt ­– Spektren von 220 Millionen astronomischen Objekten.

Rote Riesen aus DR3

Spektren liefern Informationen über die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre eines Sterns, einschließlich seiner Metallizität. Doch obwohl die Spektren von Gaia von hoher Qualität sind und Spektren für eine konkurrenzlos hohe Anzahl von Sternen vorliegen, ist die spektrale Auflösung – wie fein das Licht eines Objekts nach Wellenlänge in die elementaren Regenbogenfarben aufgespalten wird – von vornherein vergleichsweise gering. Um aus den Gaia-Daten verlässliche Werte für die Metallizität zu gewinnen, waren daher zusätzliche Analysen erforderlich, und genau das nahm Hans-Walter Rix mit René Andrae, einem auf Gaia-Daten spezialisierten Forscher am MPIA, in einem Projekt in Angriff – gemeinsam mit dem Gaststudenten Vedant Chandra, der von der Harvard University ans MPIA gekommen war.

Die drei Astronomen spezialisierten sich dabei auf rote Riesensterne in den Gaia-Daten – typische Rote Riesen sind etwa hundertmal heller als Unterriesen und damit auch auf die Entfernung des galaktischen Zentrums und seiner Nachbarschaft gut zu beobachten. Sie haben den zusätzlichen Vorteil, dass die spektralen Merkmale, anhand derer man die Metallizität bestimmen kann, bei Sternen dieses Typs vergleichsweise auffällig sind. Das machte sie für die Art von Analyse, die die Astronomen planten, besonders geeignet.

Mit maschinellem Lernen zur Metallizität

Für die Analyse selbst griffen die Astronomen auf Methoden des maschinellen Lernens zurück. Anwendungen dieser innovativen Technik finden sich inzwischen ja sogar im Alltag: Software wie DALL-E, die aus einfachen Textbeschreibungen passende Bilder generiert, oder wie ChatGPT, das mehr oder weniger kompetent Fragen beantworten und Schreibaufträge erfüllen kann. Beim maschinellen Lernen werden Lösungsstrategien nicht explizit programmiert. Stattdessen ist der Kern des Algorithmus ein so genanntes neuronales Netz, das oberflächlich betrachtet Ähnlichkeiten mit der Anordnung von Neuronen im menschlichen Gehirn aufweist. Dieses neuronale Netz wird dann trainiert: Es erhält Kombinationen von Aufgaben und deren Lösungen, und die Verbindungen zwischen Eingabe und Ausgabe werden so angepasst, dass das Netz zumindest für die Trainingsbeispiele für eine Eingabe die richtige Ausgabe wiedergibt.

In diesem speziellen Fall wurden dem neuronalen Netz zu Trainingszwecken ausgewählte Gaia-Spektren als Eingabe gegeben – Gaia-Spektren nämlich, bei denen die richtige Antwort, die Metallizität, bereits aus einer anderen Durchmusterung bekannt war (aus der Durchmusterung APOGEE, hochauflösende Spektralbeobachtungen als Teil des Sloan Digital Sky Survey [SDSS]). Die interne Struktur des Netzwerks wurde so angepasst, dass es zumindest für diese Trainingsbeispiele die korrekten Metallizitäten reproduzieren konnte.

Zuverlässige Metallizitäten für 2 Millionen helle Riesensterne

Eine allgemeine Herausforderung beim Einsatz des maschinellen Lernens in der Wissenschaft besteht darin, dass das neuronale Netz immer eine „Black Box“ ist – seine interne Struktur ist durch den Trainingsprozess entstanden und unterliegt nicht der direkten Kontrolle der Wissenschaftler. Aus diesem Grund trainierten Andrae, Chandra und Rix ihr neuronales Netz zunächst nur mit der Hälfte der APOGEE-Daten. In einem zweiten Schritt musste sich der Algorithmus dann an den restlichen APOGEE-Daten bewähren. Die Ergebnisse waren spektakulär: Auch für Sterne, an denen es nicht trainiert worden war, konnte das Netzwerk mit großer Genauigkeit Metallizitäten ermitteln.

Nachdem die Forscher auf diese Weise sowohl ihr neuronales Netz trainiert als auch überprüft hatten, dass es für zuvor unbekannte Spektren zum richtigen Ergebnis kam, durfte das neuronale Netz den gesamten Gaia-Datensatz für die vorab ausgewählten helle Riesensterne verarbeiten. Das verschaffte den Forschern genaue Werte für die Metallizitäten von 2 Millionen hellen Riesen in den inneren Regionen unserer Heimatgalaxie – der bislang größte Datensatz dieser Art. 

Eine Karte des uralten Herzens der Milchstraße

Mit Hilfe dieser Daten war es dann direkt möglich, das uralte Herz der Milchstraßengalaxie zu identifizieren – eine Population von Sternen, die Rix aufgrund ihrer geringen Metallizität, ihres hohen Alters und ihrer zentralen Lage als „armes altes Herz“ unserer Heimatgalaxie bezeichnet hat. Auf einer Himmelskarte erscheinen diese Sterne als um das galaktische Zentrum konzentriert. Die von Gaia (über die Parallaxenmethode) gelieferten Entfernungen ermöglichen zusätzlich eine 3D-Rekonstruktion, die zeigt, dass diese Sterne in der Tat vornehmlich in einer vergleichsweise kleinen inneren Region vorkommen, in Entfernungen von bis zu rund 15.000 Lichtjahren vom Zentrum.

Diese Sternpopulation schreibt die frühere Studie von Xiang und Rix zu den Jugendjahren der Milchstraße direkt fort: Die Sterne im „armen alten Herz“ haben genau die richtige Metallizität um die gesuchten Vorgänger der metallärmsten jener Sterne zu sein, die später die dicke Scheibe der Milchstraße bildeten. Daraus wiederum folgt eine Altersabschätzung, denn die Entstehung der dicken Scheibe konnten Xiang und Rix ja mit Hilfe der Unterriesen zuverlässig datieren: Das arme, alte Herz der Milchstraße muss älter sein als rund 12,5 Milliarden Jahre.

Chemische Bestätigung

Für diejenige, allerdings sehr kleine, Untermenge an Objekten, für die nicht nur Gaia-, sondern auch die hochaufgelösten APOGEE-Spektren verfügbar sind, kann man einen Schritt weitergehen: Aus den APOGEE-Spektren lassen sich zusätzliche Eigenschaften ableiten, insbesondere die Häufigkeit von Elementen wie Sauerstoff, Silizium und Neon. Das sind Elemente die entstehen, wenn zu Helium-4-Kernen (zwei Protonen, zwei Neutronen) wieder und wieder weitere Helium-4-Kerne, synonym Alphateilchen, hinzugefügt werden – ein Prozess, der „Alpha-Enhancement“ heißt. Solche Elemente zeigen an, dass die betreffenden Sterne ihre Metalle aus einer Umgebung bezogen, wo schwerere Elemente innerhalb vergleichsweise kurzer Zeit durch die Supernova-Explosionen massereicher Sterne erzeugt wurden.

Dies wiederum spricht eher dafür, dass die Sterne im „armen alten Herz“ direkt nach der Verschmelzung der ersten Proto-Galaxien zum ursprünglichen Kern der Milchstraße entstanden sind, als dass sie bereits in den Zwerggalaxien vorhanden waren, die den ursprünglichen Kern der Milchstraße bildeten oder in solchen, die später mit der Milchstraße verschmolzen. Das ist eine weitere eindrucksvolle Bestätigung dessen, was kosmologische Simulationen über Frühgeschichte unserer Heimatgalaxie aussagen.

Könnten wir sogar die Vorläufer-Galaxien der Milchstraße identifizieren?

Gaias globale Sicht der Milchstraße hat für sich genommen bereits einen grundlegenden Fortschritt in Form der hier vorgestellten Ergebnisse ermöglicht: den Nachweis, dass sich Sterne des „armen alten Herzens“ unserer Milchstraße heute noch identifizieren lassen. Diese Entdeckung weckt bei den Astronom*innen allerdings gleich den Wunsch, noch mehr zu erfahren: Kann man für noch deutlich mehr oder sogar alle dieser Sterne detailliertere Spektren erhalten, die eine genauere Analyse ihrer chemischen Zusammensetzung ermöglichen? Werden die so analysierten Sterne alle eine Alpha-Anreicherung aufweisen, die mit ihrer Entstehung im ursprünglichen Kern der Milchstraße übereinstimmt? Folgespektren, die im Rahmen der kürzlich gestarteten SDSS-V-Durchmusterung oder der bevorstehenden 4MOST-Durchmusterung, an denen das MPIA beteiligt ist, aufgenommen werden, versprechen genau diese Art von weiterer Untersuchung.

Wenn es besonders gut läuft, könnten die zusätzlichen Daten den Forschern sogar den Nachweis ermöglichen, welche Sterne in der Kernregion zu welchen der verschiedenen Vorläufergalaxien der Milchstraße gehören: Bei älteren Sternen wie jenen des armen alten Herzens ermöglichen die zusätzlichen Daten zu chemischer Zusammensetzung und Temperatur eine zuverlässige Abschätzung der Leuchtkraft des Sterns. Aus dem Vergleich der Leuchtkraft mit der Helligkeit des Sterns am Himmel lässt sich die Entfernung des Sterns ableiten – je weiter ein Stern entfernt ist, desto weniger hell sehen wir ihn am Himmel. Für vergleichsweise weit entfernte Sterne rund um das Zentrum unserer Galaxie sind die auf diese Weise ermittelten Entfernungswerte wesentlich genauer als die Ergebnisse der Parallaxenmessungen von Gaia.

Die Kombination aus der Position eines Sterns am Himmel und seiner Entfernung gibt uns die dreidimensionale Position des Sterns innerhalb der Milchstraße an. In Verbindung mit Informationen über die Radialgeschwindigkeit des Sterns (d. h. die Komponente seiner Bewegung, die direkt von uns weg oder direkt auf uns zu läuft), die ebenfalls aus dem Spektrum abgelesen werden kann, ermöglicht die Kenntnis der Sternposition eine Rekonstruktion der Umlaufbahn des Sterns in unserer Heimatgalaxie. Ergibt sich bei solch einer Analyse, dass die Sterne des armen alten Herzens zu zwei oder drei voneinander unterscheidbaren Gruppen gehören, jede davon mit einem charakteristischen Bewegungsmuster, dann stehen die Chancen gut, dass jene Gruppen den Überresten der zwei oder drei Vorläufergalaxien entsprechen, aus deren anfänglicher Verschmelzung die urtümliche Milchstraße entstanden ist.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden als Hans-Walter Rix et al., „The Poor Old Heart of the Milky Way“, im Astrophysical Journal veröffentlicht.
Die beteiligten MPIA-Forscher sind Hans-Walter Rix, René Andrae, Morgan Fouesneau und David Hogg (außerdem New York University und Flatiron Institute)
in Zusammenarbeit mit Vedant Chandra (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian) und David H. Weinberg (Ohio State University).

Originalveröffentlichung

Hans-Walter Rix et al.
The Poor Old Heart of the Milky Way
The Astrophysical Journal, 941, 45 (2022)
DOI

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• GAIA

Der Beitrag Astronomen identifizieren das uralte Herz unserer Milchstraße erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESA 13. Juni 2022.

13. Juni 2022 – Gaia ist die Mission der ESA zur Erstellung der genauesten und vollständigsten multidimensionalen Karte der Milchstraße. Dadurch können die Astronom*innen die Struktur und vergangene Entwicklung unserer Heimatgalaxie über Milliarden von Jahren nachvollziehen sowie den Lebenszyklus von Sternen und unseren Platz im Universum besser verstehen.

Was ist neu in der Datenfreigabe 3?
Die Datenfreigabe 3 von Gaia enthält neue und verbesserte Details für fast zwei Milliarden Sterne in unserer Galaxie. Der Katalog enthält neue Daten, wie z. B. chemische Zusammensetzungen, Sterntemperaturen, Farben, Massen, Alter und die Geschwindigkeit, mit der sich Sterne auf uns zu oder von uns weg bewegen (Radialgeschwindigkeit). Ein Großteil dieser Informationen wird durch die erstmals veröffentlichten Spektroskopie-Daten von Gaia bereitgestellt, für die das Sternenlicht in seine einzelnen Farben aufgespalten wird (wie bei einem Regenbogen). Die Daten enthalten auch spezielle Untergruppen von Sternen, z. B. jene, deren Helligkeit sich mit der Zeit ändert.

Dieser Datensatz enthält auch den bisher größten Katalog von Doppelsternen, Tausende von Objekten des Sonnensystems wie Asteroiden und Monde von Planeten sowie Millionen von Galaxien und Quasaren außerhalb der Milchstraße.

Sternenbeben
Zu den überraschendsten Entdeckungen in den neuen Daten gehört, dass Gaia Sternenbeben – winzige Bewegungen auf der Oberfläche eines Sterns – nachweisen kann, die die Form der Sterne verändern. Das Observatorium wurde eigentlich nicht dafür gebaut.

Gaia hat bereits zuvor radiale Schwingungen gefunden, die Sterne regelmäßig anschwellen und schrumpfen lassen, während sie ihre kugelförmige Gestalt beibehalten. Allerdings hat Gaia jetzt auch andere Schwingungen entdeckt, die eher wie große Tsunamis wirken. Diese nicht-radialen Schwingungen verändern lediglich die globale Form eines Sterns und sind daher nicht so leicht zu erkennen.

Gaia hat bei Tausenden von Sternen starke nicht-radiale Sternenbeben entdeckt. Gaia hat außerdem derartige Schwingungen in Sternen aufgedeckt, bei denen diese bisher nur selten zu sehen waren. Nach den derzeitigen Theorien sollten diese Sterne keine Beben haben, aber Gaia hat sie an ihrer Oberfläche entdeckt.

„Sternenbeben lehren uns eine Menge über die Sterne, insbesondere über ihr Innenleben. Gaia ist eine Goldgrube für die ‚Asteroseismologie‘ massereicher Sterne“, sagt Conny Aerts von der KU Leuven in Belgien, die Mitglied des Gaia-Konsortiums ist.

Die DNA der Sterne
Die Zusammensetzung der Sterne kann uns etwas über ihren Entstehungsort und ihre anschließende Reise und damit über die Geschichte der Milchstraße verraten. Mit den heute veröffentlichten Daten enthüllt Gaia die größte chemische Karte der Galaxie, die mit 3D-Bewegungen von der Umgebung unserer Sonne bis hin zu kleineren Galaxien in unserer Nähe gekoppelt ist.

Einige Sterne enthalten mehr „Schwermetalle“ als andere. Während des Urknalls bildeten sich nur leichte Elemente (Wasserstoff und Helium). Alle anderen schwereren Elemente, die von Astronom*innen „Metalle“ genannt werden, entstehen im Inneren von Sternen. Wenn Sterne sterben, werden diese Metalle in das Gas und den Staub zwischen den Sternen, das sogenannte interstellare Medium, freigesetzt, aus dem dann neue Sterne entstehen. Durch das aktive Entstehen und Sterben von Sternen entsteht eine metallreichere Umgebung. Die chemische Zusammensetzung eines Sterns ist somit eine Art DNA, die uns wertvolle Informationen über seine Herkunft liefert.

Dank Gaia wissen wir, dass einige Sterne in unserer Galaxie aus primordialem Material bestehen, während andere wie unsere Sonne aus einer Materie bestehen, die von früheren Generationen von Sternen angereichert wurde. Die dem Zentrum und der Ebene unserer Galaxie näher gelegenen Sterne sind reicher an Metallen als Sterne in größerer Entfernung. Gaia hat außerdem anhand ihrer chemischen Zusammensetzung Sterne identifiziert, die ursprünglich aus anderen Galaxien als unserer stammen.

„Unsere Galaxie ist ein wunderschöner Schmelztiegel von Sternen“, sagt Alejandra Recio-Blanco vom Observatoire de la Côte d’Azur in Frankreich, die Mitglied von des Gaia-Konsortiums ist.

„Diese Vielfalt ist extrem wichtig, denn sie verrät uns die Geschichte der Entstehung unserer Galaxie. Sie offenbart die Migrationsprozesse innerhalb unserer Galaxie und die Akkretion aus externen Galaxien. Dies zeigt auch deutlich, dass unsere Sonne und wir alle Teil eines sich ständig verändernden Systems sind, das durch die Zusammenführung von Sternen und Gas unterschiedlicher Herkunft entstanden ist.“

Doppelsterne, Asteroiden, Quasare und mehr
Mehrere heute veröffentlichte Arbeiten spiegeln die ganze Fülle und Tiefe des Entdeckungspotenzials von Gaia wider. Ein neuer Katalog von Doppelsternen gibt Aufschluss über die Masse und die Entwicklung von mehr als 800.000 Doppelsternsystemen, während eine neue Asteroidenstudie, die 156.000 felsige Körper umfasst, den Ursprung unseres Sonnensystems näher beleuchtet. Gaia enthüllt auch Informationen über 10 Millionen veränderliche Sterne, geheimnisvolle Makromoleküle zwischen den Sternen sowie Quasare und Galaxien außerhalb unserer eigenen kosmischen Nachbarschaft.

„Anders als bei anderen Missionen, die auf bestimmte Objekte abzielen, handelt es sich bei der Mission Gaia um eine Durchmusterungsmission. Das bedeutet, dass Gaia bei der mehrfachen Durchmusterung des gesamten Himmels mit Milliarden von Sternen zwangsläufig Entdeckungen machen wird, die anderen, spezielleren Missionen entgehen würden. Das ist eine ihrer Stärken, und wir sind gespannt darauf, dass die Astronomiegemeinschaft unsere neuen Daten genau unter die Lupe nimmt, um noch mehr über unsere Galaxie und ihre Umgebung zu erfahren, als wir uns vorstellen konnten“, sagt Timo Prusti, Projektwissenschaftler für Gaia bei der ESA.

Gaia Data Release 3 Papers (Englisch)
https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/dr3-papers

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• GAIA

Der Beitrag Gaia entdeckt seltsame Sterne in der bisher detailreichsten Untersuchung der Milchstraße erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

30. März 2022 – Direkt außerhalb des galaktischen Balkens befindet sich ein innerer Ring aus metallreichen Sternen, die jünger sind als die Sterne im Balken. Anhand dieses Altersunterschieds zwischen dem Balken und den Ringsternen lässt sich abschätzen, dass sich der Balken vor mindestens 7 Milliarden Jahren gebildet haben muss. Die Existenz des Rings macht es wahrscheinlich, dass Sternbildung aus einströmendem Gas eine wesentliche Rolle in dieser frühen Phase der Milchstraße gespielt haben muss.

Die Struktur unserer eigenen Galaxie zu verstehen wird dadurch kompliziert, dass wir uns selbst in der Nähe eines ihrer Spiralarme in der Scheibenebene befinden. In viele Richtungen sind die Sterne durch dichte Gas- und Staubwolken verdunkelt. Dies gilt insbesondere für das Zentrum der Milchstraße, so dass die innere Struktur der Milchstraße besonders schwer zu studieren ist. Dennoch ist es Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in den letzten zehn Jahren gelungen, Daten aus verschiedenen Beobachtungskampagnen mit ausgefeilten Computersimulationen zu kombinieren, um ein realistisches Modell der inneren Milchstraße zu erstellen: einen langsam rotierenden Balken mit einem sogenannten Bulge, der eine erdnussartige Form hat.

Kürzlich durchgeführte Himmelsdurchmusterungen haben eine Fülle neuer Daten für das Innere der Milchstraße geliefert. APOGEE ist eine groß angelegte spektroskopische Durchmusterung von Sternen im nahen Infrarotbereich. Im Gegensatz zu optischem Licht kann infrarotes Licht den Staub leichter durchdringen, so dass APOGEE Sterne in den staubigen Regionen der Milchstraße, wie der Scheibe und dem Bulge, aufspüren kann. Durch Analyse der Spektren können nicht nur Elementhäufigkeiten der Sterne bestimmt werden, sondern auch ihre Positionen, Sichtliniengeschwindigkeiten und ihr approximatives Alter. Darüber hinaus werden im Rahmen der ehrgeizigen Gaia-Mission mehr als eine Milliarde Sterne kartiert, um deren Positionen und Eigenbewegungen zu messen. Zusammen liefern beide Durchmusterungen alle notwendigen Beobachtungsdaten, um Umlaufbahnen für Sterne in der inneren Milchstraße zu bestimmen. Das einzige, was noch benötigt wird, ist ein realistisches Gravitationspotential der Milchstraße, um die Sternbahnen zu integrieren. Dieses erhält man aus dem dynamischen Modell für die innere Milchstraße, das von MPE Wissenschaftlern erstellt worden war.

„Wir haben mehr als 30 000 Sterne aus der APOGEE-Durchmusterung mit zusätzlichen Daten von Gaia in einem Milchstraßen-Balkenpotential integriert, um die vollständigen Umlaufbahnen dieser Sterne zu erhalten“, erklärt Shola M. Wylie, Doktorandin am MPE und Erstautorin der Studie. „Mit diesen Bahnen können wir dann sogar hinter den galaktischen Bulge sowie in andere Regionen sehen, die von den Durchmusterungen selbst nicht erfasst werden.“ Die Wissenschaftler nutzen dann diese Bahnen, um Karten der Dichte, der Metallizität und des Alters der Sterne in der inneren Milchstraße zu erstellen.

„Um den zentralen Balken herum finden wir eine ausgedehnte innere Ringstruktur, die metallreicher ist als der Balken und in der die Sterne jünger sind, um die 7 Milliarden Jahre alt“, fährt sie fort. Während sternbildende innere Ringe in anderen Scheibengalaxien nachgewiesen sind, war es nicht bekannt, dass unsere Heimatgalaxie einen Ring von alten Sternen aufweist. Um Sterne in den Ring- und Balkenstrukturen zu unterscheiden, nutzten die Wissenschaftler die Exzentrizität der Umlaufbahnen, d.h. ein Maß dafür wie stark die Umlaufbahn von einem Kreis abweicht. Sie stellten nicht nur fest, dass die Sterne im Ring jünger und metallreicher sind als die Sterne im Balken, sondern auch, dass diese Sterne stärker auf die Scheibenebene konzentriert sind.

„Sterne in diesem Ring müssen sich weiter aus einströmendem Gas gebildet haben, auch als der Balken schon gebildet war“ erklärt Ortwin Gerhard, leitender Wissenschaftler der MPE-Dynamikgruppe. Daher kann das Alter der Sterne im inneren Ring außerdem dazu genutzt werden, die Entstehungsgeschichte der Milchstraße zurückzudatieren: Die Wissenschaftler schätzen ab, dass sich der Galaktische Balken vor mindestens 7 Milliarden Jahren gebildet hat.

Noch unklar ist, ob es eine Verbindung zwischen dem neu entdeckten inneren Ring und den Spiralarmen der Milchstraße gibt und ob derzeit Gas aus den Spiralarmen in einen sternbildenden inneren Gasring transportiert wird, wie er in anderen Spiralgalaxien beobachtet wird. Um den Übergang vom Ring zur umgebenden Scheibe besser zu verstehen, sind weitere Arbeiten notwendig, die erweiterte Modelle und zusätzliche Daten erfordern.

Originalveröffentlichung
S. M. Wylie, J.P. Clarke, O.E. Gerhard
The Milky Way’s middle-aged inner ring
A&A, Volume 659, March 2022
DOI: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/03/aa42343-21/aa42343-21.html

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• Die Milchstraße

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