Quelle: ESA / Science & Exploration, 17. Juni 2026

Der Sternhaufen enthält vier verschiedene Sterngenerationen, was ihn als Prototyp eines „fossilen Fragments des Galaxienkerns“ bestätigt. Vor Milliarden von Jahren breiteten sich ähnliche ursprüngliche Klumpen aus und verschmolzen zum Galaxienkern der Milchstraße, doch Terzan 5 blieb bis heute intakt.

Die neue Studie, in der aktuelle Beobachtungen des Webb-Teleskops mit Daten kombiniert wurden, die über einen Zeitraum von 12 Jahren vom Hubble-Teleskop erfasst wurden, hat gezeigt, dass Terzan 5 bis zu vier unterschiedliche Phasen der Sternentstehung durchlaufen hat, was bestätigt, dass es sich nicht um einen echten Kugelsternhaufen handelt.

Ein Kugelsternhaufen weist in der Regel nur eine einzige Population alter Sterne auf. Neue Daten bestätigen nicht nur die Existenz zweier unterschiedlicher Sternpopulationen in Terzan 5, sondern liefern auch Hinweise auf zwei jüngere Sternentstehungsphasen. Obwohl sich Terzan 5 im dicht besiedelten Bulge der Milchstraße befindet – dem zentralen, kugelförmigen Bereich älterer Sterne unserer Galaxie –, war er massereich genug, um seine eigenständige Identität zu bewahren, während sich leichtere Systeme vor Milliarden von Jahren ausbreiteten und vermischten, um den Bulge zu bilden. Es ist wie ein Klumpen in einem ansonsten gut vermischten Kuchenteig.

„Die neuen Nahinfrarot-Beobachtungen des Webb-Teleskops, abgeglichen mit den Archivdaten des Hubble-Teleskops, haben uns ein viel klareres Bild von der Geschichte von Terzan 5 vermittelt“, sagte Giorgia Zullo, die die Forschung leitete und Doktorandin an der Universität Bologna in Italien ist.

Diese Ergebnisse wurden am Dienstag auf einer Pressekonferenz im Rahmen der 248. Tagung der American Astronomical Society vorgestellt und in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Vier Sterngenerationen

Terzan 5 wurde 1968 vom Astronomen Azop Terzan entdeckt und ähnelt in vielerlei Hinsicht einem Kugelsternhaufen. Im Jahr 2009 stellte sich jedoch heraus, dass dieses System zwei unterschiedliche Sternpopulationen beherbergt. Im Jahr 2016 lieferte das Hubble-Teleskop eine erste Schätzung ihres Alters und zeigte, dass sich die eine vor etwa 12 Milliarden Jahren (als sich die Milchstraße selbst gerade bildete) und die andere vor etwa 5 Milliarden Jahren, kurz bevor sich die Erde zu bilden begann, gebildet hatte. Dies deutete auf eine komplexere Geschichte hin als bei einem typischen Kugelsternhaufen.

Die Untersuchung von Terzan 5 wird durch seine Lage in einem Bereich unserer Galaxie erschwert, der dicht mit Sternen besetzt und stark durch Staub verdeckt ist. Hier kam das Webb-Teleskop ins Spiel. Seine Infrarotaufnahmen ermöglichten es dem Forschungsteam, durch den Staub hindurchzublicken und weitaus mehr Sterne – darunter auch schwächere – zu katalogisieren als bei früheren Untersuchungen. Durch die Messung der Farben und Helligkeiten der Sterne können Astronomen diese in Populationen unterschiedlichen Alters und unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung einordnen.

Webb konnte diese Schlüsselmerkmale für jeden Stern im Sichtfeld am Himmel messen – sowohl für Sterne innerhalb von Terzan 5 als auch für unabhängige Vordergrundsterne. Um die Sterne von Terzan 5 zu isolieren, stützte sich das Team auf die Leistungsfähigkeit und die lange Betriebsdauer des Hubble-Teleskops. Der zeitliche Abstand von 12 Jahren zwischen den Hubble-Belichtungen ermöglichte es dem Team, sehr kleine Bewegungen einzelner Sterne – sogenannte Eigenbewegungen – zu messen, um festzustellen, welche Sterne zu Terzan 5 gehören und welche Teil des Galaxienkerns der Milchstraße sind.

Durch die Kombination der Daten von Webb und Hubble fanden die Forscher starke Hinweise auf zwei weitere Sternpopulationen, von denen sich die eine vor 3,8 Milliarden Jahren und die andere erst vor 2,5 Milliarden Jahren gebildet hat. Außerdem konnten sie das Alter der bereits bekannten Sternpopulationen mit beispielloser Präzision bestimmen und stellten fest, dass diese sich vor 12,5 Milliarden bzw. 4,7 Milliarden Jahren gebildet haben.

Angesichts der bisher bekannten zwei Sterngenerationen konnten Astronomen die Möglichkeit nicht ausschließen, dass Terzan 5 mit einem anderen Objekt – etwa einem Kugelsternhaufen oder einer riesigen Molekülwolke – in Wechselwirkung trat und dadurch mit neuem Gas und Staub angereichert wurde, was eine zweite Runde der Sternentstehung auslöste. Mit vier Sterngenerationen sind diese Erklärungen nun ausgeschlossen.

Messungen der Sternzusammensetzung der Terzan-5-Populationen, die am W. M. Keck-Observatorium und am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte durchgeführt wurden, deuten ebenfalls auf sehr unterschiedliche Populationen hin. „Neben dem Alter dieser Populationen bewahrt der Sternhaufen ein fossiles Zeugnis der fortschreitenden Anreicherung schwerer Elemente durch Supernovae“, sagte Co-Autor R. Michael Rich, Forschungsastronom an der University of California in Los Angeles.

Terzan 5 brachte mehrere Sterngenerationen hervor, da es in der Lage war, die notwendigen Ausgangsstoffe zu binden. Es gibt Hinweise auf gewaltige Supernova-Explosionen in Terzan 5, bei denen schwerere Elemente entstanden, die von nachfolgenden Sterngenerationen aufgenommen wurden. In Systemen mit geringerer Masse hätte die Wucht der Explosionen selbst die dabei entstandenen Elemente hinausgeschleudert und gleichzeitig übrig gebliebenes Gas und Staub weggefegt. Der Vorläufer von Terzan 5 verfügte über genügend Masse, um diese Auswürfe der Sterne zurückzuhalten, sodass sich über Milliarden von Jahren hinweg neue Sterngenerationen bilden konnten.

„Fossiles Fragment des Galaxienkerns“

Die Ergebnisse zeigen, dass Terzan 5 höchstwahrscheinlich der Überrest eines weitaus massereicheren Sternensystems ist, das sich ursprünglich vor 12,5 Milliarden Jahren gebildet hatte. Terzan 5 ist außergewöhnlich, weil es überlebt hat – und sich nie mit dem Galaxienkern der Milchstraße vereinigt oder vollständig darin „vermischt“ hat. „Aus irgendeinem Grund bildete sich dieser eigentümliche Sternhaufen getrennt vom Bulge und wurde bei dessen Entstehung nicht zerstört“, sagte Francesco R. Ferraro, Professor an der Universität Bologna und Leiter der Webb-Beobachtungen. „Terzan 5 ist das, was wir heute als ‚Fossilfragment des Bulge‘ bezeichnen, da es den ursprünglichen Sternhaufen ähnelt, die zur Entstehung des Bulge beigetragen haben.“

Bislang ist ein weiteres kosmisches Objekt bekannt, das Terzan 5 ähnelt. Liller 1 war das zweite Objekt, das von einem Kugelsternhaufen zu einem Fossilfragment des Galaxienkerns umklassifiziert wurde. Auch es enthält mehrere Sterngenerationen. Möglicherweise gibt es noch weitere Objekte dieser Art. Ferraros Team wird weitere 40 bis 50 Kugelsternhaufen untersuchen, die innerhalb des Bulges umlaufen, um festzustellen, ob ihre Sternpopulationen alle gleich sind, wie bei Kugelsternhaufen, oder ob sie mehrere Generationen umfassen, wie bei fossilen Fragmenten des Bulges.

Mögliche Parallelen bei der Galaxienentstehung in nah und fern

Letztendlich könnte diese Forschung unser Verständnis darüber verbessern, wie sich die zentralen Bulges von Galaxien über Hunderte von Millionen von Jahren hinweg bilden. „Aufgrund von Beobachtungen und detaillierten Simulationen gehen wir davon aus, dass Galaxien im frühen Universum riesige Gasscheiben besaßen, die in Klumpen zerfielen und Sterne bildeten. Diese Klumpen wanderten zum Zentrum der Galaxien und viele verschmolzen zu deren Bulges“, sagte Barbara Lanzoni, Mitautorin und außerordentliche Professorin an der Universität Bologna. So hat Webb beispielsweise mehrere Beispiele für „klumpige“ Galaxien entdeckt, die sich aktiv bildeten, als das Universum erst wenige hundert Millionen Jahre alt war, wie die Klumpen in der Galaxie „Firefly Sparkle“. „Terzan 5 könnte direkte Beweise liefern, die helfen können zu erklären, wie sich Galaxienkerne im gesamten Universum gebildet haben“, sagte Barbara.

Weitere Informationen
Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop unter Einsatz der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Anpassungen der Ariane 5 für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den Hauptspektrografen NIRSpec sowie 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI bereit, das von einem Konsortium staatlich finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde.

Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

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• Die Milchstraße

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 16. Juli 2024.

16. Juli 2024 – Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des National Radio Astronomy Observatory hat zehn schnell rotierende Neutronensterne im Kugelsternhaufen Terzan 5 entdeckt. Viele von ihnen befinden sich in ungewöhnlichen und seltenen Doppelsternsystemen, darunter möglicherweise ein rekordverdächtiger Doppelneutronenstern, ein Pulsar in einer extrem elliptischen Umlaufbahn und mehrere „Spinnensysteme“, in denen die Neutronensterne ihre Begleiter verdampfen. Diese Funde in den Daten des MeerKAT-Radioteleskops erhöhen die Anzahl der in diesem sehr dichten Sternhaufen bekannten Millisekunden-Pulsare um mehr als ein Viertel auf insgesamt 49. Das Team hofft, Pulsare in potenziell noch extremeren Doppelsternsystemen zu entdecken. Dazu sollen alle mit MeerKAT von Terzan 5 aufgezeichneten Daten durch Nutzung der enormen Rechenleistung des am MPI für Gravitationsphysik durchgeführten verteilten Rechenprojekts Einstein@Home auf weitere Pulsare durchsucht werden.

„Wir wissen, dass Kugelsternhaufen wie Terzan 5 viele schnell rotierende Neutronensterne beherbergen, und wir wissen auch, dass frühere Beobachtungen dieses Haufens wahrscheinlich einige übersehen haben. Trotzdem haben wir uns sehr gefreut, zehn bisher unbekannte Millisekunden-Pulsare zu entdecken, darunter einige in ungewöhnlichen und extremen Doppelsternsystemen“, sagt Prajwal Voraganti Padmanabh, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. „Die Kombination von hochempfindlichen Beobachtungen mit MeerKAT, Archivdaten des Green-Bank-Teleskops aus fast zwei Jahrzehnten und cleveren und effizienten Datenanalysemethoden haben diese Entdeckungen und ihre vollständige Charakterisierung ermöglicht.“

Padmanabh ist Erstautor einer Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde. Er begann seine Forschungsarbeit an Pulsaren während seiner Tätigkeit am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn.

Neutronensterne sind kompakte Überreste von Supernova-Explosionen. Sie bestehen aus exotischer, extrem dichter Materie, sind schwerer als unsere Sonne und haben einen Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern. Aufgrund ihrer starken Magnetfelder und schnellen Rotation senden sie wie ein kosmischer Leuchtturm gebündelte Radiowellen aus. Wenn die Rotation diese Strahlenbündel regelmäßig auf die Erde richtet, wird der Neutronenstern als pulsierende Radioquelle – als Radiopulsar – sichtbar. Einige dieser Radiopulsare sammeln in Doppelsternsystemen von ihrem Begleiter Materie ein, die sie auf Rotationsperioden von wenigen Millisekunden beschleunigt. Sie werden als Millisekundenpulsare bezeichnet.

Der Kugelsternhaufen Terzan 5 ist einer der Orte mit der höchsten Sternendichte in unserer Milchstraße. In seinem Kernbereich, wo diese Dichte millionenfach höher ist als in der Umgebung unserer Sonne, treffen sich die Sterne und interagieren viel häufiger als anderswo. Dies macht ihn zu einer sehr effizienten „Fabrik“ für Pulsare in außergewöhnlichen Doppelsternen. Vor dieser Studie waren bereits 39 Pulsare in Terzan 5 bekannt; nun kamen zehn weitere hinzu.

Die Forscherinnen und Forscher machten ihre Entdeckungen in Daten des MeerKAT-Radioteleskops. MeerKAT ist eine Anlage von 64 Antennen in der südafrikanischen Karoo mit einer beispiellosen Empfindlichkeit für Quellen am Südhimmel. Im Rahmen des „TRansients and Pulsars using MeerKAT (TRAPUM) Large Survey Project“ beobachtete das Team Terzan 5 zweimal für mehrere Stunden mit jeweils 56 MeerKAT-Antennen. Die Hardware für TRAPUM wurde vom MPIfR finanziert, entworfen und installiert.

„Mittels spezieller Hardware und Software haben wir die Daten der 56 einzelnen MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen Teleskop kombiniert, das gleichzeitig fast 300 eng beieinander liegende Himmelspositionen im Bereich von Terzan 5 beobachtet hat“, so Dr. Padmanabh. „Das führt natürlich dazu, dass wir viel mehr Daten auswerten müssen als bei Beobachtungen mit einem einzelnen Teleskop. Aber es hilft uns auch, die Position jedes neuen Pulsars viel genauer zu bestimmen. Das ist bei Einzelteleskopen normalerweise der schwierige Teil, der Monate an zusätzlichen Beobachtungen erfordert.“

Das Team bereitete die Rohdaten vor und suchte dann an den 45 Positionen, die den Zentralbereich von Terzan 5 abdecken, nach Pulsaren. Ihr Arbeitspferd: der Großrechner Atlas am AEI Hannover, der rund 99.000 logische CPU-Kerne in fast 3.200 Servern sowie 400 Grafikkarten mit fast einer Million Kernen für die Datenanalyse bereitstellte. Mit dieser Suche konnten zehn neue Millisekunden-Pulsare aufgespürt werden.

Für jeden in den MeerKAT-Daten an einer genau definierten Himmelsposition gefundenen Pulsar wurde auf die Archivdaten des Green-Bank-Teleskops zurückgegriffen, um zu überprüfen, ob die Entdeckung dort bestätigt werden konnte. „Ohne das Archiv des Green-Bank-Teleskops wären wir nicht in der Lage gewesen, diese Pulsare zu charakterisieren und ihre Astrophysik zu verstehen“, sagt Scott Ransom, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Dadurch war man in der Lage, für alle Entdeckungen sogenannte Timing-Modelle zu erstellen. Diese mathematischen Beschreibungen sagen die Ankunftszeit jedes einzelnen der mehreren hundert Milliarden Pulse über die gesamten 19 Jahre Beobachtungszeit präzise voraus.

Um diese Genauigkeit zu erreichen, müssen die Timing-Modelle viele astrophysikalische Eigenschaften berücksichtigen, die die Doppelsysteme mit Pulsaren beschreiben, einschließlich relativistischer Effekte, die sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ergeben. Das ermöglichte es den Forschern, die Neutronensterne, ihre Umlaufbahnen, ihre Begleiter und viele andere Eigenschaften genau zu untersuchen und zu überwachen.

„Alle zehn neu entdeckten Pulsare sind ungewöhnlich und besonders und helfen uns, Kugelsternhaufen und Neutronensterne besser zu verstehen und die allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Aber einige von ihnen sind selbst in dieser Gruppe selten und speziell“, sagt Paulo Freire, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ am MPIfR. „Diese Systeme sind nur die jüngsten Beispiele für die wunderbaren, exotischen Sternsysteme, die wir mit MeerKAT in diesen dichten Kugelsternhaufen gefunden haben. Zusammen mit jüngsten Beispielen wie dem Objekt NGC 1851E, das das erste Pulsar-Schwarzes-Loch-System darstellen könnte, zeigen uns die Ergebnisse, dass Kugelsternhaufen eine Goldmine voller Möglichkeiten darstellen.“

Vivek Venkatraman Krishnan vom MPIfR ist Mitautor der vorliegenden Arbeit. Er sucht im Rahmen des ERC Research Grants COMPACT („Understanding gravity using a comprehensive search for fast-spinning pulsars and compact binaries“) ebenfalls nach binären Pulsaren in Kugelsternhaufen. „Mit COMPACT werden wir ein maßgeschneidertes Suchsystem für Pulsare entwickeln und einsetzen, um noch extremere Versionen dieser Doppelsterne in Kugelsternhaufen zu entdecken“, sagt er.

Eine der Entdeckungen ist ein Doppelsternsystem, das möglicherweise aus zwei Neutronensternen besteht. Diese Doppelneutronensterne sind sehr selten – gerade einmal 20 von mehr als 3600 bekannten Pulsaren gehören zu dieser besonderen Spezies. Sollten zukünftige Beobachtungen diesen Verdacht bestätigen, wäre das Doppelsystem auch ein Rekordbrecher mit dem am schnellsten rotierenden Pulsar und der längsten Umlaufzeit solcher Objekte. Andererseits könnte es sich bei diesem System auch um einen massereichen Pulsar in Begleitung eines Weißen Zwergs handeln. Ein schwerer Pulsar könnte Aufschluss über die innere Zusammensetzung von Neutronensternen geben.

Die extrem elliptische Umlaufbahn eines anderen neuen Pulsars deutet auf eine Reihe von engen Begegnungen mit anderen Sternen in seiner Vergangenheit hin. Wenn im Gedränge im Zentrum von Terzan 5 Sterne an einem Doppelsternsystem vorbeiziehen, kann ihre Schwerkraft dessen Bahnen stören und sogar seine Komponenten herausschleudern oder deren Plätze einnehmen.

Nachdem das Team die Zahl der bekannten Pulsare in Terzan 5 schon um mehr als ein Viertel gesteigert hat, plant es bereits, weitere zu finden. Die Suche wird erweitert auf Pulsare in Doppelsystemen, deren Umlaufzeiten deutlich kürzer sind als die der bisher entdeckten. Die Forscher beabsichtigen, mit der Hilfe des verteilten freiwilligen Computerprojekts Einstein@Home alle mit MeerKAT gewonnenen Daten von Terzan 5 zu analysieren. Das Projekt, das von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am AEI Hannover geleitet wird, hat bereits mehr als 90 neue Neutronensterne entdeckt. Mit MeerKAT soll der Kugelsternhaufen Terzan 5 auch bei höheren Radiofrequenzen beobachtet werden, was die Chancen auf neue Entdeckungen weiter erhöhen dürfte.

„Nach allem, was wir über Terzan 5 wissen, erwarten wir, dass er noch viele weitere extreme Doppelsternsysteme beherbergt, von denen jedes ein potenzielles Labor für die Überprüfung der Einsteinschen Relativitätstheorie ist“, schließt Prajwal Voraganti Padmanabh. „Wer weiß, vielleicht ist das nächste, was wir in diesem erstaunlichen Kugelsternhaufen finden, etwas so Exotisches wie ein Paar Millisekunden-Pulsare oder ein Millisekunden-Pulsar, der ein Schwarzes Loch umkreist?“

Hintergrundinformation
Das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betriebene MeerKAT ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zum „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskop für einen mittleren Frequenzbereich (SKA-MID) integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ haben bereits 2023 während der Testphase des Teleskops begonnen.

TRAPUM (TRAnsients and PUlsars with MeerKAT) ist eines der Large Survey Proposals, die mit dem MeerKAT-Teleskop durchgeführt werden. Es handelt sich um ein internationales Kollaborationsprojekt, das von der Universität Manchester und dem MPIfR geleitet wird, und an dem Institutionen wie das INAF, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) beteiligt sind.

Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. Das Green Bank Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen eines Kooperationsabkommens von Associated Universities, Inc. betrieben wird.

Autoren der Veröffentlichung sind P. V. Padmanabh, S. M. Ransom, P. C. C. Freire, A. Ridolfi, J. D. Taylor, C. Choza, C. J. Clark, F. Abbate, M. Bailes, E. D. Barr, S. Buchner, M. Burgay, M. E. DeCesar, W. Chen, A. Corongiu, D. J. Champion, A. Dutta, M. Geyer, J. W. T. Hessels, M. Kramer, A. Possenti, I. H. Stairs, B. W. Stappers, V. Venkatraman Krishnan, L. Vleeschower und L. Zhang. Paulo Freire, Ewan Barr, Weiwei Chen, David Champion, Arunima Dutta, Michael Kramer und Vivek Venkatraman Krishnan sind Mitarbeiter am MPIfR. Der Erstautor, Prajwal Voraganti Padmanabh, sowie Alessandro Ridolfi und Federico Abbate sind ebenfalls mit dem MPIfR affiliiert.

Originalveröffentlichung
Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., Astronomy & Astrophysics (A&A), Volume 686, A166 (Juni 2024)
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa49303-24/aa49303-24.html

Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., arXiv Preprint
https://arxiv.org/abs/2403.17799

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