Schubweise Sterngeburten

Die Entstehung von Sonnen im Zentrum der Milchstraße verlief nicht kontinuierlich

16. Dezember 2019

Zwei Schübe waren es, in denen die Sterne im Zentrum der Milchstraße auf die Welt kamen. Beobachtungen zeigen nun, dass die stellaren Geburten vor etwa acht Milliarden Jahren einen Höhepunkt erlebten; eine zweite Aktivität gab es dann vor ungefähr einer Milliarde Jahren. Bisher nahmen die Astronomen an, dass die Sterne in der vergleichsweise kleinen zentralen Scheibe der Galaxis kontinuierlich entstanden waren. Dieses neue Szenario wirkt sich auf Theorien zu Entstehung und Eigenschaften des Balkens in der Mitte der Milchstraße aus.

Blick ins Herz der Milchstraße: Diese Aufnahme zeigt die Zentralregion der Galaxis mit einer Auflösung von 0,2 Bogensekunden, gewonnen aus Daten des H Bild vergrößern

Blick ins Herz der Milchstraße: Diese Aufnahme zeigt die Zentralregion der Galaxis mit einer Auflösung von 0,2 Bogensekunden, gewonnen aus Daten des Hawk-I-Instruments am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO).

Die zwei intensiven Episoden der Sternentstehung schreiben einen Teil der Geschichte unserer Heimatgalaxie um. Statt in einem kontinuierlichen Prozess entstanden die Sterne im galaktischen Zentrum in zwei intensiven Phasen: Mehr als 90 Prozent bildeten sich vor mindestens acht Milliarden Jahren. In einem weiteren, vergleichsweise kurzen, intensiven Schub wurden dann vor rund einer Milliarde Jahren etwa fünf Prozent der Sterne geboren; zwischen den beiden Phasen blieb es recht ruhig, es entstanden kaum neue.

Die betreffenden Sterne gehören zu einer dichten, scheibenförmigen Region mit einem Durchmesser von etwa 1000 Lichtjahren – ein Bereich, der nur rund ein Prozent des Durchmessers der majestätischen Milchstraße ausmacht. Diese zentrale Scheibe umschließt den Sternhaufen im Herzen der Galaxis, in dem das supermassereiche schwarze Loch sitzt.

Für die Entstehung neuer Sterne und für das Wachstum des schwarzen Lochs müssen dieselben Voraussetzungen erfüllt sein: Gas muss von außen in die zentralen Bereiche einströmen. Die neu rekonstruierte Sternentstehungsgeschichte legt daher nahe, dass auch unser zentrales schwarzes Loch den größten Teil seiner heutigen Masse bereits vor acht Milliarden Jahren erreicht hat und seither nur sehr zaghaft gewachsen ist.

Der kurze, aber intensive Ausbruch von Sternentstehungsaktivität vor rund einer Milliarde Jahren dürfte eines der energiereichsten Ereignisse in der Geschichte der Galaxis gewesen sein. Hunderttausende von neu gebildeten massereichen Sternen werden wohl zu jener Zeit innerhalb von Millionen von Jahren als Supernovae explodiert sein.

Die Ergebnisse zwingen die Astronomen auch dazu, ein weiteres grundlegendes Merkmal unserer Milchstraße zu überdenken. Diese ist eine Balkenspiralgalaxie: Ihre großen Spiralarme setzen an einem zentralen Balken an, einem langgestreckten Bereich mit vielen jüngeren Sternen, dessen Länge auf 3000 bis 15.000 Lichtjahre geschätzt wird. Ein solcher Balken gilt eigentlich als sehr effizienter Mechanismus, um Gas in die Zentralregionen einer Galaxie zu leiten, was dort wiederum zur Bildung neuer Sterne führt.

Dass in der zentralen Scheibe zwischendurch Milliarden Jahre ohne nennenswerte Sternbildung vergingen, zwingt die Forscher, die Eigenschaften und die Geschichte des Balkens zu überdenken. Denn während der ruhigen Jahre strömte offenbar nicht genügend Gas in das galaktische Zentrum.

„Entweder ist der galaktische Balken erst vor relativ kurzer Zeit entstanden, oder solche Balkenstrukturen sind bei weitem nicht so effizient darin, Gas ins Zentrum zu leiten“, sagt Francisco Nogueras-Lara, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie und Erstautor der in Nature Astronomy veröffentlichten Studie. „Im letzteren Fall müsste die Sternentstehungsepisode vor rund einer Milliarde Jahren durch ein besonderes Ereignis ausgelöst worden sein, etwa einem Beinahe-Zusammenstoß mit einer Zwerggalaxie.“

Um die Geschichte der Sternentstehung zu rekonstruieren, nutzten die Wissenschaftler astronomisches Grundlagenwissen. Sterne leben nur für eine bestimmte Zeitspanne, die von ihrer Masse und chemischen Zusammensetzung abhängt. Wann immer viele Sterne gleichzeitig geboren wurden, lassen sich deren Eigenschaften statistisch auswerten, indem Helligkeiten und Farben der Sterne gegeneinander aufgetragen werden. Aus einem solchen Farben-Helligkeits-Diagramm kann man ableiten, wie lange die Entstehung der betreffenden Sterngruppe her ist.

Einer von mehreren Altersindikatoren ist dabei der „rote Klumpen“ (red clump) von Sternen im rötlichen Farbbereich. Das sind Sterne, die bereits begonnen haben, Helium in ihren Kernregionen zu verschmelzen. Unter Anwendung von Simulationsrechnungen zur Sternentwicklung kann man aus der durchschnittlichen Helligkeit im red clump auf das Alter der gleichzeitig entstandenen Sterne schließen.

Aber es gibt bei dieser Methode einen Haken: Sie erfordert die Auswertung der Eigenschaften von vielen Einzelsternen. Für die Zentralregionen der Milchstraße ist das gar nicht so einfach. Das fängt damit an, dass jene Regionen von der Erde aus gesehen hinter riesigen Staubwolken verborgen sind. Man muss schon in den Infrarotbereich ausweichen, um durch diese Wolken hindurchschauen zu können.

Gelingt der Blick durch den Schleier, stößt man auf das nächste Problem: Die Beobachtungen zeigen im Herz der Galaxis eine schier unübersichtliche Menge von Sternen. Beobachten Astronomen sehr dichte Sternfelder dieser Art, dann überlappen sich die Sternscheiben im Teleskopbild. Die Trennung solcher Felder in separate Sterne ist schwierig – aber notwendig, wenn man die Entstehungsgeschichte des galaktischen Zentrums rekonstruieren will.

Daher nutzten die Forscher das Instrument Hawk-I – eine Infrarotkamera mit großem Gesichtsfeld am Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile. Damit beobachteten sie im Rahmen der Galacticnucleus-Durchmusterung 16 Nächte lang das galaktische Zentrum und erhielten genaue Helligkeitsmessungen für mehr als drei Millionen Sternen.

Dank einer speziellen Technik, der so genannten holografischen Bildgebung, ließen sich Sterne im Abstand von nur 0,2 Bogensekunden unterscheiden. Mit einer solchen Auflösung kann man zwei direkt nebeneinander liegende Ein-Cent-Münzen aus acht Kilometer Entfernung getrennt sehen. Zwei deutlich sichtbare red clumps im resultierenden Farben-Helligkeits-Diagramm ermöglichten schließlich die Rekonstruktion der Entstehungsgeschichte der Sterne in zwei Phasen.

HOR / MP

 

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