Milky Way

Eine Zählung von Hunderttausenden von Unterriesensternen in unserer Galaxie bietet einen Einblick in die frühe Geschichte der Milchstraße.

Dieses Diagramm zeigt die Grundstrukturen unserer Galaxie von der Seite. Stefan Payne-Wardenaar / MPIA

Führen Sie eine Volkszählung der Bevölkerung Ihres Landes durch, und Sie können die Bevölkerungspyramide erstellen: eine Grafik, die sofort zeigt, wann ein gewaltiger Babyboom stattgefunden hat. Ähnliches haben Astronomen nun auch für die Sterne in unserer Galaxie getan.

Sie haben herausgefunden, dass die Sternentstehungsrate vor etwa 11 Milliarden Jahren sprunghaft angestiegen ist. Die Arbeit lieferte auch eine detaillierte Zeitleiste des frühen Wachstums und der Entwicklung der Milchstraße während ihrer turbulenten „Teenager“-Jahre.

Wenn man sich die meisten Sterne anschaut, sagt einem das nicht, wie alt sie sind. Aus diesem Grund konzentrierten sich Maosheng Xiang und Hans-Walter Rix (Max-Planck-Institut für Astronomie, Deutschland) auf Unterriesen, für die es eine klare Beziehung zwischen Leuchtkraft und Alter gibt.

Die meisten Sterne durchlaufen diese Unterriesenphase in ihren späteren Entwicklungsstadien kurz. Während der größte Teil des Wasserstoffbrennstoffs im Zentrum des Sterns in Helium umgewandelt wurde, findet die Wasserstofffusion immer noch in einer dicken Hülle um den Kern herum statt. Die resultierende Leuchtkraft des Sterns hängt maßgeblich von seiner Masse ab: Massive Unterriesen leuchten heller als masseärmere. Bei massearmen Sternen kann es viele Milliarden Jahre dauern, bis sie die kurze Unterriesenphase erreichen, während die Entwicklung stellarer Schwergewichte viel schneller voranschreitet. Als Ergebnis zeigt Ihnen eine Zählung der aktuellen Unterriesenpopulation ihre Altersverteilung: Die leuchtendsten müssen jung sein, während die schwächeren viel älter sind.

Xiang und Rix wählten rund 250.000 Unterriesen aus dem immer noch wachsenden Datenarchiv des europäischen Weltraumobservatoriums Gaia aus, für das detaillierte Informationen über die Positionen, Entfernungen und Bewegungen der Sterne verfügbar waren. Bestehende spektroskopische Beobachtungen des Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) in China lieferten den Forschern auch die chemische Zusammensetzung der Sterne – insbesondere die Häufigkeit von Elementen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind (im astronomischen Sprachgebrauch Metalle genannt).

In der Nature-Ausgabe vom 24. März präsentieren die beiden Astronomen die Ergebnisse ihrer detaillierten Analyse: eine Zeitleiste der wichtigsten Ereignisse in der Frühgeschichte der Milchstraße. Insbesondere fanden sie heraus, dass die Sternentstehungsrate vor etwa 11 Milliarden Jahren ihren Höhepunkt erreichte, mit ziemlicher Sicherheit ein direktes Ergebnis der Fusion zwischen unserer aufstrebenden Galaxie und einem kleineren Eindringling mit dem Spitznamen Gaia Enceladus.

Frühe Phase der Gaia-Enceladus-Verschmelzung mit der Milchstraße (Künstlerkonzept)Beweise für eine frühere Verschmelzung mit einer anderen Galaxie wurden in den Sternen der Milchstraße aufgezeichnet, von denen einige langgestreckte und rückläufige Bahnen um das galaktische Zentrum haben. Eine Computersimulation einer solchen Begegnung zeigt, wie die frühe Phase dieser Fusion ausgesehen haben könnte. Gelbe Pfeile stellen die Positionen und Bewegungen der Sterne in Gaia-Enceladus dar, als es vor Milliarden von Jahren mit der Milchstraße kollidierte. Künstlerische Darstellung und Komposition: ESA; Simulation: Koppelman, Villalobos und Helmi; Galaxie: NASA / ESA / Hubble / CC BY-SA 3.0 IGO

Aber es gibt noch mehr. Die Daten geben auch Aufschluss über den Ursprung der dicken Scheibe der Milchstraße, dem flauschigeren Pfannkuchen älterer Sterne mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren und einer Dicke von 6.000 Lichtjahren. (Neuere Sterne bevölkern die dünne Scheibe, die eher einem spiralförmigen Krepp gleicht und nur etwa 1.000 Lichtjahre dick ist).

Aus ihren Daten schlussfolgern Xiang und Rix, dass sich die dicke Scheibe bereits vor etwa 13 Milliarden Jahren zu bilden begann, also nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall – also lange vor der Entstehung des dünn besiedelten galaktischen Halo. Zwei Milliarden Jahre später füllte immer noch Gas die dicke Scheibe, und als die Milchstraße mit Gaia Enceladus verschmolz, führte die Verschmelzung dazu, dass Gas viele neue Sterne bildete. Die Sternentstehung in der dicken Scheibe hielt noch ein paar Milliarden Jahre an, während Urgas weiter in Richtung der wachsenden Galaxie strömte.

Interessanterweise zeigen Sterne, die in diesen frühen Stadien der Entwicklung der Milchstraße geboren wurden, eine unerwartet einfache Verteilung der Häufigkeit schwerer Elemente. Da Supernova-Explosionen schwere Elemente in das interstellare Medium (ISM) ausstoßen, haben jüngere Sterne eine höhere Metallizität als ältere. Bei gleichaltrigen Sternen erweist sich die Metallizität jedoch als unabhängig von ihrer Entfernung vom galaktischen Zentrum – ein überraschendes Ergebnis, da man erwarten würde, dass schwere Elemente langsam in Richtung des Kerns der Milchstraße „sinken“. „[This] impliziert, dass das ISM während dieser gesamten Zeitspanne räumlich durchmischt geblieben sein muss“, schreiben die Forscher. Eine begleitende Pressemitteilung bezeichnet dies als „Schlüsselergebnis“ der neuen Arbeit.

Ein weiterer wichtiger Übergang fand vor etwa 8 Milliarden Jahren statt. Irgendetwas scheint das Gas in der dicken Scheibe aufgebraucht zu haben, wodurch die Sternentstehung zum Erliegen kam. Die Sternentstehung ging jedoch in der dünnen Scheibe weiter, die die meisten der aktuellen Spiralarme, Molekülwolken und Sternentstehungsregionen in der Milchstraße beherbergt. Xiang und Rix konnten zwischen den Populationen der dicken Scheibe und der dünnen Scheibe unterscheiden, indem sie die Umlaufbahnen und die Zusammensetzung der Sterne analysierten.

„Das ist ein sehr schönes Ergebnis“, sagt Amina Helmi (Universität Groningen, Niederlande), deren Team 2018 die stellaren Überreste von Gaia Enceladus identifizierte, ebenfalls in Gaia-Daten. „Durch das Betrachten von Unterriesen [Xiang and Rix] bieten eine ganz neue Perspektive“ auf das Fusionsereignis.

Laut Helmi könnten zukünftige Datenveröffentlichungen von Gaia, die wahrscheinlich bis Anfang 2025 in Betrieb sein werden, Astronomen schließlich ermöglichen, die frühe Geschichte der Milchstraße vollständig zu rekonstruieren, von ihren chaotischen Ursprüngen und ihrer turbulenten Jugend bis zu ihrem gegenwärtigen ruhigen mittleren Alter. „Das wäre toll“, sagt sie, „und das wünsche ich mir.“

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