GLOSTAR – auf der Suche nach atomarem und molekularem Gas in der Milchstraße

Top: Continuum radio image of the pilot region in the range 28° < l <36° from the combination of the VLA D-configuration and the Effelsberg single dish images. Bottom: VLA image of the same longitude range (see also Medina et al., 2019). (c) GLOSTAR Team

Mit zwei der leistungsfähigsten Radioteleskope hat ein Forscherteam unter MPIfR-Leitung die bisher besten Karten der Radiostrahlung in der nördlichen galaktischen Ebene erstellt. Die Daten wurden mit dem VLA (New Mexico) in zwei verschiedenen Konfigurationen und dem 100-m-Teleskop Effelsberg aufgenommen. Damit werden erstmals Winkelskalen bis hinunter zu 1,5 Bogensekunden abgedeckt. Das entspricht der scheinbaren Größe eines auf dem Boden liegenden Tennisballs, vom Flugzeug aus gesehen. Im Gegensatz zu früheren Kartierungen beobachtet GLOSTAR nicht nur Radiokontinuum und Polarisation, sondern auch Spektrallinien, die atomares und molekulares Gas (Methanol und Formaldehyd) nachzeichnen.

Das Projekt „Global View on Star Formation in the Milky Way“ (GLOSTAR) liefert die bisher empfindlichsten Karten der Radiostrahlung großer Teile der nördlichen galaktischen Ebene, aufgenommen mit dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in New Mexico in zwei verschiedenen Konfigurationen und dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg des MPIfR. Dieser faszinierende neue Datensatz wird nun genutzt, um das interstellare Medium in der Milchstraße sowie massereiche Sterne in ihrer Kindheit und ihrem Tod zu untersuchen. Kurz nach dem 50. Geburtstag des Effelsberger Radioteleskops wurde nun eine Reihe von Arbeiten, die auf den GLOSTAR-Daten basieren, in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Radioteleskope für Messungen im Rahmen des GLOSTAR-Projekts: Effelsberg-100m-Teleskop (links) und 10 Antennen des Karl G. Jansky Very Large Array (rechts).
Norbert Tacken/MPIfR (Radioteleskop Effelsberg); NRAO/AUI/NSF (Very Large Array)

Während ein Interferometer wie das VLA sehr scharfe Bilder des Himmels erzeugen kann, geht die großräumige Emission oft verloren. Diese diffuse Komponente der Radiostrahlung kann jedoch durch Hinzufügen von Daten des 100-m-Effelsberg-Teleskops wiederhergestellt werden, wie in Abb. 1 gezeigt. „Das zeigt deutlich, dass das Radioteleskop Effelsberg auch nach 50 Jahren Betrieb immer noch sehr wichtig ist“, sagt Andreas Brunthaler, Hauptautor der ersten Arbeit, die einen Überblick über die Durchmusterung gibt und die Techniken zur Datenanalyse beschreibt. Um die vollen 145 Quadratgrad der Durchmusterung zu kartieren, musste das Team kleinere Bilder von fast 50.000 verschiedenen Positionen kombinieren. „Wir benötigten etwa 700 Stunden Beobachtungszeit am VLA, wodurch fast 40 Terabyte an Rohdaten erzeugt wurden“, erklärt Sergio Dzib, der die Datenkalibrierung der VLA-Daten leitete. Während der Effelsberger Teil der Kartierung noch läuft, können die Daten bereits für neue und spannende Wissenschaft genutzt werden.

Bisherige Durchmusterungen haben nur etwa 30% der erwarteten Anzahl von Supernova-Überresten in der Milchstraße entdeckt. Dank der beispiellosen Empfindlichkeit der GLOSTAR-Durchmusterung war es möglich, allein in den VLA-Daten 80 neue Kandidaten zu finden und damit die Anzahl im beobachteten Gebiet zu verdoppeln. Mit der Hinzunahme der Effelsberg-Daten wird diese Zahl voraussichtlich nochmals steigen. „Dies ist ein wichtiger Schritt, um das lange bestehende Rätsel der fehlenden Supernova-Überreste in der Milchstraße zu lösen“, erklärt Rohit Dokara, Doktorand am MPIfR und Erstautor der zweiten Arbeit.

Mit den spannenden Ergebnissen von Kartierungen im Submm- und im fernen Infrarot-Wellenlängenbereich vom Boden und aus dem Weltraum konnten massereiche und kalte Staubklumpen, aus denen sich die massereichen Sternhaufen bilden, galaxienweit nachgewiesen werden. Ergänzend zu diesen Ergebnissen liefert die GLOSTAR-Kartierung ein sehr leistungsfähiges und umfassendes Bild sowohl der ionisierten als auch der molekularen Markierungen für Sternentstehung in der galaktischen Ebene.

Die vorliegende Kartierung deckt auch den nahen Sternentstehungskomplex Cygnus X ab. Hier wurden neue Quellen mit 6,7 GHz Methanol-Maser-Emission entdeckt. „Die 6,7-GHz-Linie von Methanol findet man ausschließlich in Regionen, in denen sehr massereiche Sterne von mindestens acht Sonnenmassen entstehen“, sagt Karl Menten, Direktor am MPIfR, der Initiator von GLOSTAR. Er entdeckte die Emission von Methanolmasern, die zweitstärkste Spektrallinie im Radiowellenbereich, vor genau 30 Jahren zum ersten Mal im interstellaren Medium. Während alle Methanolmaser im Cygnus X-Komplex mit Staubemission assoziiert sind, werden weniger als die Hälfte der Quellen auch im Radiokontinuum nachgewiesen.

„Diese Maser sind Wegweiser für Sterne in einem sehr frühen Entwicklungsstadium, noch bevor nachweisbare Radiostrahlung zu sehen ist“, erklärt Gisela Ortiz-León vom MPIfR, die die Untersuchung der Region Cygnus X leitet. Echte massereiche „Proto“-Sterne zu identifizieren, ist seit langem ein Ziel der Sternentstehungsforschung.

Während das optische Licht stark vom interstellaren Staub absorbiert wird, erlauben Radiowellen einen Blick in die zentralen Regionen der Milchstraße. Eine systematische Suche in der neuen Kontinuumskarte, die mit dem VLA in Richtung des galaktischen Zentrums beobachtet wurde, nach Radioemission, die mit potenziellen jungen stellaren Objekten aus einem kürzlich veröffentlichten Katalog assoziiert ist, ermöglicht ein besseres Verständnis ihres Entwicklungsstadiums. „Während wir für eine gute Anzahl von ihnen Radioemission finden, fehlt es vielen der Objekte an Radiogegenstücken und Staubemission, was darauf hindeutet, dass sie weiter entwickelt sind und ihre Geburtswolken bereits aufgelöst haben“, berichtet Hans Nguyen, ein weiterer Doktorand am MPIfR, der die Studie über diese jungen stellaren Objekte leitet. Die zugehörigen Radioquellen ermöglichen weitere Rückschlüsse auf die Sternentstehungsrate im galaktischen Zentrum.

Die große Anzahl von Quellen zu katalogisieren ist ebenfalls eine Herausforderung. Die erwartete Anzahl der Quellen in den vollständigen GLOSTAR-Datensätzen liegt bei einigen zehntausend Quellen unterschiedlicher Natur. „Es gibt fast 100 Quellen pro Quadratgrad und wir nutzen alle verfügbaren Informationen, um sie zu klassifizieren“, sagt Sac Medina, Mitautorin der vier Arbeiten und ehemalige Doktorandin am MPIfR, die die erste Quellenkatalogarbeit leitete und derzeit den Katalog der vollen GLOSTAR D-Konfigurationsbilder vorbereitet.

Von Anfang an wurden im MPIfR eine Reihe von umfangreichen Kartierungen des Radiohimmels durchgeführt, die meisten davon allerdings bei längeren Wellenlängen. Die GLOSTAR-Durchmusterung ist die erste Durchmusterung im Bereich von 4 bis 8 GHz, die mit den IR-Durchmusterungen im Weltraum in Bezug auf räumliche Skalen und dynamische Bereiche konkurrieren kann und daher einen einzigartigen Datensatz in Hinblick auf eine globale Perspektive zur Untersuchung der Sternentstehung in unserer Galaxie liefern wird.

Zusätzliche Informationen:

GLOSTAR, die „Global View on Star Formation in the Milky Way“-Kartierung nutzt breitbandige (4-8 GHz) C-Band-Empfänger des VLA und des 100-m-Radioteleskops Effelsberg, um eine unverfälschte Kartierung von Sternentstehungsgebieten in der Milchstraße durchzuführen. Diese Durchmusterung der galaktischen Mittelebene entdeckt aussagekräftige Indikatoren für frühe Phasen der Entstehung von massereichen Sternen: kompakte, ultra- und hyperkompakte HII-Regionen und Methanol-Maser (CH3OH) bei einer Frequenz von 6,7 GHz, die einige der frühesten Entwicklungsstadien in der Entstehung massereicher Sterne aufspüren. Sie können dazu verwendet werden, die Positionen sehr junger stellarer Objekte zu lokalisieren, von denen viele noch tief in ihre Geburtswolken eingebettet sind. Die Beobachtungen liegen um eine Mittenfrequenz von 5,8 GHz und umfassen auch die Emission von Formaldehyd (H2CO) bei 4,8 GHz sowie mehrere Radio-Rekombinationslinien (RRLs), die alle in zukünftigen Publikationen vorgestellt werden. Die GLOSTAR-Beobachtungen wurden mit den VLA B- und D-Konfigurationen und dem Effelsberger 100-m-Teleskop für die großräumige Struktur durchgeführt.

MPIfR-affilierte Autoren in den vier GLOSTAR-Veröffentlichungen umfassen (in alphabetischer Reihenfolge): A. Brunthaler, C.-H. R. Chen, S. A. Dzib, R. Dokara, Y. Gong, C. König, S-N. X. Medina, K. M. Menten, P. Müller, H. Nguyen, G. N. Ortiz-León, W. Reich, M. R. Rugel, B. Winkel, A. Y. Yang und F. Wyrowski.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Andreas Brunthaler
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-377
E-Mail: brunthal@mpifr-bonn.mpg.de

Prof. Dr. Karl M. Menten
Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung “Millimeter und Submillimeterastronomie”
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-471 (Sekretariat)
E-Mail: kmenten@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Sergio Dzib
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-304
E-Mail: sdzib@mpifr-bonn.mpg.de

Originalpublikation:

A Global View on Star Formation: The GLOSTAR Galactic Plane Survey. I. – IV. (Brunthaler, A. et al.; Dokara, R. et al.; Ortiz-León, G.N. et al.; Nguyen, H. et al., 2021, Astronomy & Astrophysics (22. Juli 2021).

https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202039856

https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202039873

https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202140817

https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202140802

Weitere Informationen:

https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2021/9

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Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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