Stellar Science

Astronomen werden die neueste Datenveröffentlichung der Gaia-Mission verwenden, um stellare Tsunamis, die Geschichte der Milchstraße und mehr zu erforschen.

Heute veröffentlicht die Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ihren dritten Datensatz mit neuen und verbesserten Details zu 1,8 Milliarden Sternen in der Milchstraße und darüber hinaus.

„[This] Tag wurde von der gesamten astronomischen Gemeinschaft erwartet“, sagt Ricardo Schiavon (Liverpool John Moores University), der Gaia-Daten verwendet, aber nicht an der Zusammenarbeit beteiligt ist. „Ich zum Beispiel bin viel zu früh aufgewacht und konnte nicht wieder einschlafen, wenn ich darüber nachdachte!“

Zum ersten Mal enthält die neue Datenveröffentlichung Millionen von Spektren, die die Helligkeit von Objekten in den Farben des Regenbogens zeigen. Diese Regenbögen zeigen die Bewegungen der Milchstraßensterne zur Erde hin und von ihr weg, ihre radialen Geschwindigkeiten, die in Kombination mit anderen Gaia-Daten ihre 3D-Bewegung durch den Weltraum ergeben. Spectra enthüllt auch das Make-up der Stars und sogar ihre Herkunft.

Die Veröffentlichung enthält auch brandneue Informationen über 1,2 Millionen weiter entfernte Sterne in der Andromeda-Galaxie, Millionen von Galaxien und Quasaren sowie Tausende von Objekten in unserem kosmischen Hinterhof, darunter Monde, Asteroiden und Kometen des Sonnensystems. Die neueste Datenveröffentlichung wird von einer Reihe von Studien begleitet, die in einer Sonderausgabe von Astronomy & Astrophysics erscheinen.

Eine Sternenrevolution

In den zehn Jahren seit dem Start von Gaia im Jahr 2013 hat die Mission das astronomische Spielfeld verändert. Astronomen haben Gaia-Daten verwendet, um beispiellose Karten der Milchstraße zu erstellen und 10 Milliarden Jahre ihrer Geschichte zurückzuverfolgen.

Schon der erste Datensatz, der 2016 veröffentlicht wurde, lieferte äußerst präzise Helligkeits- und Positionsmessungen für mehr als 1 Milliarde Sterne. Und die Daten sind mit der Zeit immer besser geworden.

Das weltraumgestützte Teleskop dreht sich, um den gesamten Himmel nicht nur einmal, sondern viele Male aufzunehmen, sodass es eine Vielzahl von Sternen beobachten kann, während es die Sonne umkreist. (Das Raumschiff umkreist den Lagrange-Punkt L2, 1,5 Millionen km von der Erde entfernt gegenüber der Sonne.) Die scheinbare Bewegung der Sterne, Parallaxe genannt, ist vergleichbar mit der Beobachtung, dass nähere Objekte sich zu bewegen scheinen, wenn Sie sie zuerst mit einem Auge und dann mit dem Auge betrachten Sonstiges. Um das primäre wissenschaftliche Ziel der Mission zu erfüllen, müssen die Parallaxenmessungen von Gaia beispiellos sein – selbst für die schwächsten Sterne auf eine Millibogensekunde genau und für die helleren 100-mal besser.

Mit einem Hauch von Geometrie verwandeln sich Gaias Parallaxen in zuverlässige Entfernungen für Sterne in der gesamten Milchstraße. Im Laufe der Zeit haben Astronomen mehr als 1 Milliarde Sterne nicht nur am Himmel, sondern auch im Weltraum lokalisiert.

Gaia-Sicht auf Sterne in der MilchstraßeGaias All-Sky-Blick auf unsere Milchstraße und benachbarte Galaxien. Die Karten zeigen die Gesamthelligkeit und -farbe der Sterne (oben), die Gesamtdichte der Sterne (Mitte) und den interstellaren Staub, der die Galaxie füllt (unten). ESA/Gaia/DPAC; Karten: CC BY-SA 3.0 IGO

Jahrelange Datensammlungen zeigen auch die tatsächlichen Bewegungen der Sterne über den Himmel. Diese Eigenbewegungen ergeben zusammen mit den aus Spektren gemessenen Radialgeschwindigkeiten die 3D-Geschwindigkeit der Sterne im Weltraum. Die neueste Datenveröffentlichung enthält 3D-Positionen und Eigenbewegungen für fast 1,5 Milliarden Sterne; die vollständigen sechsdimensionalen Daten (3D-Position plus 3D-Geschwindigkeit) sind für eine Teilmenge von 882 Millionen Sternen verfügbar. Mit diesen Informationen können Astronomen die Sterngruppen unterscheiden, die unsere Galaxie umkreisen.

Stellare BewegungenDie Spuren auf diesem Bild zeigen, wie sich 40.000 Sterne, die sich alle innerhalb von 326 Lichtjahren vom Sonnensystem befinden, in den nächsten 400.000 Jahren über den Himmel bewegen werden.ESA / Gaia / DPAC / CC BY-SA 3.0 IGO; Danksagung: A. Brown, S. Jordan, T. Roegiers, X. Luri, E. Masana, T. Prusti und A. Moitinho

Herkunft aus der Chemie

Am meisten erwartet werden in dieser Veröffentlichung die Spektren, die für eine Teilmenge von 33,8 Millionen Sternen erhalten wurden und die größte jemals niedrig aufgelöste spektroskopische Vermessung darstellen. Diese chemischen Fingerabdrücke zeigen die wichtigsten Eigenschaften eines Sterns, einschließlich Temperatur, Masse und Rotation.

Spektren mit noch höherer Auflösung für ein Zehntel dieser Sterne können uns sogar sagen, woraus sie bestehen. Während Sterne hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehen, besitzen sie Spuren von schwereren Elementen, die in den Bäuchen der Sterne vor ihnen geschmiedet wurden. Die schweren Elemente in einem Stern verraten sein Alter und seine Herkunft.

Gaia hat gezeigt, dass Sterne in der Nähe des galaktischen Zentrums sowie solche in der Nähe der zentralen galaktischen Ebene eher späteren Generationen angehören, während Sterne im Halo eher uralt sind und in den ersten paar Milliarden Jahren des Universums geboren wurden. So viel ist nicht überraschend: Wo es mehr Sterne gibt, entwickeln sie sich eher weiter.

Aber manchmal haben Sterngruppen einen ganz anderen chemischen Fingerabdruck als ihre Nachbarn; Man nimmt an, dass diese von kleineren Galaxien stammen, die von der Milchstraße verschluckt wurden. Astronomen können solche Gruppierungen verwenden, um die Kollisionsgeschichte unserer Galaxie zusammenzufügen.

Seitenansicht der sterblichen Überreste des HeraklesGaia-Daten ermöglichten es Astronomen, Sterne zu identifizieren, die einst zu einer anderen Galaxie gehörten. Die farbigen Ringe zeigen die ungefähre Ausdehnung der Sterne, die aus dieser fossilen Galaxie stammten, die als Herakles bekannt ist. (Die kleinen Objekte unten rechts im Bild sind die Große und die Kleine Magellansche Wolke, zwei kleine Satellitengalaxien der Milchstraße.)Danny Horta-Darrington (Liverpool John Moores University) / ESA / Gaia / SDSS

Frühere Untersuchungen dieser Geschichte entstanden durch die Kombination von Gaia-Daten mit spektroskopischen Untersuchungen, wie sie beispielsweise im Rahmen des Sloan Digital Sky Survey durchgeführt wurden. Mit eigenen spektralen Messungen von Milchstraßensternen werden Forscher wie Schiavon nun die Milchstraße noch genauer kartieren.

„Mein unmittelbares Interesse an diesen Daten besteht darin, einen tiefen Einblick in die Zusammensetzung des galaktischen Halo und der dicken Scheibe zu bekommen“, sagt Schiavon. Die Chemie und die Umlaufbahnen dieser alten und weiter entfernten Sterne werden Aufschluss darüber geben, wie die Milchstraße zum ersten Mal zusammenkam.

Das Gaia-Team hat die neu gesammelten Spektren auch bereits verwendet, um Zusammensetzungen von Asteroiden des Sonnensystems anzubieten, zusätzlich zu ihren aus Positionsdaten bestimmten Umlaufbahnen.

Seltsame Sterne

Gaias mehrfache Messungen können zeigen, dass sich die Helligkeit der Sterne im Laufe der Zeit ändert, was im Allgemeinen auf eine Änderung der Form zurückzuführen ist. Oft sind solche Veränderungen symmetrisch, was darauf hindeutet, dass Sterne als Reaktion auf Veränderungen in ihrem Inneren „ein- und ausatmen“. Gelegentlich können einmalige Veränderungen, verursacht durch Instabilitäten, wie ein Tsunami über die kochende Sternoberfläche fegen.

Metallizitätsverteilung in MilchstraßensternenRot gefärbte Sterne in dieser Visualisierung enthalten schwerere Elemente und wurden daher durch frühere Sternengenerationen angereichert. Sterne, die gelb und grün erscheinen, werden zunehmend ursprünglicher, was sie als Teil dieser früheren Sterngenerationen kennzeichnet.ESA / Gaia

Gaia hat jetzt Tausende solcher Tsunamis oder Sternbeben entdeckt – auch auf Sternen, von denen die aktuelle Theorie sagt, dass sie sie nicht haben sollten. Gaia-Kollaborationsmitglied Conny Aerts (KU Leuven, Belgien) gehört zu denen, die verstehen wollen, warum. „Sternbeben lehren uns viel über Sterne, insbesondere über ihre interne Funktionsweise“, sagt Aerts. „Gaia eröffnet eine Goldmine für die ‚Asteroseismologie‘ massereicher Sterne.“

Da das Gaia-Team die Daten sorgfältig verarbeitet und analysiert, enthält die neueste Veröffentlichung jahrelange Beobachtungen, die zwischen Juli 2014 und Mai 2017 aufgenommen wurden. Das ist noch einmal die Hälfte des Zeitrahmens, der von der zweiten Datenveröffentlichung abgedeckt wurde. Es wird erwartet, dass Gaia einen weiteren inkrementellen Datensatz veröffentlicht, bevor die vollständige Analyse aller vom Weltraumteleskop gesammelten Daten veröffentlicht wird.

Währenddessen beobachtet das Raumschiff immer noch, die Bildverarbeitung wird fortgesetzt, und jede neue Datenfreigabe wird für unzählige Studien von entscheidender Bedeutung. Unser Blick auf die Sterne, unsere Galaxie und ihre Geschichte wird sich in den kommenden Jahren noch weiter schärfen.


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