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Die Sternentstehung im Zentrum der Milchstraße verlief in zwei Schüben

16.12.2019

Dank neuer Beobachtungen des Zentrums unserer Heimatgalaxie konnten Astronomen erstmals die Geschichte der Sternentstehung im Zentrum der Milchstraße rekonstruieren. Bisher war man davon ausgegangen, dass sich in der vergleichsweise kleinen zentralen Sternenscheibe, die die innersten Regionen der Milchstraße umgibt, in den letzten Milliarden von Jahren kontinuierlich Sterne gebildet hatten. Die neuen Ergebnisse weisen stattdessen auf schubartige Sternentstehungsphasen hin – eine vor mehr als 8 Milliarden Jahren und eine vor etwa einer Milliarde Jahren. Die Ergebnisse wurden jetzt in Nature Astronomy veröffentlicht.

Astronomen haben erstmals die Geschichte der Sternentstehung im Zentrum unserer Milchstraße rekonstruiert. Ihre Arbeit zeigt, dass sich die fraglichen Sterne in zwei Wellen bildeten: Mehr als 90 % der Sterne entstanden vor mindestens acht Milliarden Jahren.


Aufnahme der Zentralregion der Milchstraße mit einer Auflösung von 0,2 Bogensekunden, aus Daten des HAWK-I-Instruments am Very Large Telescope der ESO für die Durchmusterung der zentralen Scheibe

ESO/Nogueras-Lara et al.

Eine zweite, kurze Phase intensiver Sternentstehung, die für etwa 5 % der Sterne verantwortlich ist, fand vor rund einer Milliarde Jahren statt. Zwischen diesen beiden Phasen entstanden kaum neue Sterne.

Die betreffenden Sterne gehören zu einer dichten, scheibenförmigen Region mit einem Durchmesser von etwa 1000 Lichtjahren (rund 1 % des Durchmessers der majestätischen Sternenscheibe der Milchstraße), der sogenannten zentralen Scheibe, die den zentralen Sternhaufen der Milchstraße umschließt. Ganz in der Mitte sitzt das supermassereiche Schwarze Loch unserer Milchstraße.

Phasen intensiver Sternentstehung

Die zwei intensiven Episoden der Sternentstehung schreiben einen Teil der Geschichte unserer Heimatgalaxie um. Bisher war allgemein angenommen worden, dass sich die Sterne in den Zentralregionen der Milchstraße über die letzten Milliarden von Jahren hinweg allmählich gebildet hätten.

Dass stattdessen zwei Phasen intensiver Sternentstehung in größerem Abstand aufeinander folgten, zwingt die Astronomen jetzt, auch andere Eigenschaften unserer Galaxie zu überdenken.

Für die Entstehung neuer Sterne und für das Wachstum des zentralen Schwarzen Lochs unserer Galaxie müssen dieselben Voraussetzungen erfüllt sein: Gas muss von außen in die zentralen Bereiche unserer Gebiete 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 energetischsten Ereignisse in der Geschichte unserer Galaxie gewesen sein. Hunderttausende von neu gebildeten massereichen Sternen werden zu jener Zeit innerhalb von Millionen von Jahren als Supernovae explodiert sein.

Die Ergebnisse zwingen die Astronomen auch dazu, ein weiteres grundlegendes Merkmal unserer Galaxie zu überdenken. Die Milchstraße ist eine sogenannte Balkenspiralgalaxie: Ihre großen Spiralarme setzen an einem zentralen Balken an, einem langgestreckten Bereich mit vielen jüngeren Sternen, dessen Länge auf zwischen 3.000 und 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 verging, zwingt die Astronomen, Eigenschaften oder Geschichte des Balkens zu überdenken. In diesen ruhigen Jahren wurde schließlich offenbar nicht genügend Gas in das galaktische Zentrum geleitet. Francisco Nogueras Lara (damals Instituto de Astrofísica de Andalucía, heute Postdoktorand am MPIA), Hauptautor des Artikels, sagt:

„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, wie allgemein angenommen. 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.“

Sternentstehungsgeschichte rekonstruieren

Für ihre Rekonstruktion der Geschichte der Sternentstehung in der zentralen Scheibe nutzten die Forscher astronomisches Grundlagenwissen. Sterne leben nur für eine bestimmte Zeitspanne, die von ihrer Masse und chemischen Zusammensetzung abhängt. Wann immer zahlreiche Sterne gleichzeitig geboren wurden, was durchaus häufig vorkommt, können Astronomen die Eigenschaften der betreffenden Gruppe von Sternen statistisch auswerten, indem sie Helligkeiten und Farben der Sterne gegeneinander auftragen („Farben-Helligkeits-Diagramm“). Aus den Eigenschaften des dabei entstehenden Diagramms lässt sich schließen, wie lange die Entstehung jener Sterngruppe her ist.

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

Praktische Beobachtungs-Schwierigkeiten

Aber es gibt bei dieser Art von Auswertung einen Haken: Sie erfordern die Auswertung der Eigenschaften von zahlreichen 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 die Wolken, stößt man gleich auf das nächste Problem: Die entsprechenden Beobachtungen zeigen eine unübersichtliche Menge von Sternen im Zentrum der Milchstraße. Die Zentralbereiche sind extrem sternreich, mit zwischen tausend und hunderttausend Sternen in einem Würfel mit einer Seitenlänge von einem Lichtjahr. Beobachten Astronomen sehr dichte Sternfelder dieser Art, dann überlappen sich diese Sternscheiben im Teleskopbild. Die Trennung solcher Felder in separate Sterne ist schwierig – aber notwendig, wenn man die Entstehungsgeschichte des galaktischen Zentrums rekonstruieren will.

Auf das richtige Werkzeug kommt es an

Als Rainer Schödel (Instituto de Astrofísica de Andalucía, leitender Wissenschaftler der GALACTICNUCLEUS-Durchmusterung), Nadine Neumayer vom MPIA und ihre Kollegen Ende 2014 begannen, ihr Projekt zur Rekonstruktion der Geschichte der Zentralregionen unserer Milchstraße zu planen, wussten sie, dass sie das richtige Instrument für diese schwierige Aufgabe finden mussten. Neumayer sagt: „Wir benötigten ein Nahinfrarot-Instrument mit großem Sichtfeld, das die zentrale Region der Milchstraße am Südhimmel beobachten konnte. Das HAWK-I-Instrument der ESO war ideal für unsere Durchmusterung.“ HAWK-I ist eine Infrarotkamera am 8-Meter-Teleskop Very Large Telescope am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile.

Für ihre GALACTICNUCLEUS-Durchmusterung beobachteten die Astronomen mit HAWK-I 16 Nächte lang das galaktische Zentrum und konnten so genaue Helligkeitsmessungen für mehr als drei Millionen Sterne erhalten. Mit einer speziellen Technik, der sogenannten holografischen Bildgebung, konnten die Astronomen Sterne im Abstand von nur 0,2 Bogensekunden unterscheiden. Mit solcher Auflösung kann man auf 8 Kilometer Entfernung zwei direkt nebeneinander liegende Ein-Cent-Münzen auseinanderhalten. Zwei deutlich sichtbare „rote Klumpen“ im resultierenden Farben-Helligkeits-Diagramm ermöglichten die Rekonstruktion der Entstehungsgeschichte der zentralen Scheibe mit ihren zwei Phasen aktiver Sternentstehung.

In einem nächsten Schritt untersuchen die Astronomen nun den Einfluss von Staub auf ihre Beobachtungen (Extinktion und Rötung). Die Berücksichtigung dieses Einflusses soll dann eine noch genauere Rekonstruktion der Geschichte der zentralen Regionen unserer Galaxie ermöglichen.

Hintergrundinformationen

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Francisco Nogueras-Lara (auch Instituto de Astrofísica de Andalucia) und Nadine Neumayer in Zusammenarbeit mit Rainer Schödel, A. Teresa Gallego-Calvente, Eulalia Gallego-Cano, Banafsheh Shahzamanian, Hui Dong (alle IAA-CSIC), Michael Hilker (ESO), Francisco Najarro (CAB-CSIC/INTA), Shogo Nishiyama (Miyagi University Sendai), Anja Feldmeier-Krause (University of Chicago), Julien. H. V. Girard (STScI) und Santi Cassisi (INAF-Astronomical Observatory of Abruzzo).

Die hier beschriebene Forschung wurde veröffentlicht als:

F. Nogueras-Lara et al. 2019, „Early formation and recent starburst activity in the nuclear disc of the Milky Way“ in der Zeitschrift Nature Astronomy

F. Nogueras-Lara et al. 2019, „GALACTICNUCLEUS: A high-angular-resolution JHKs imaging survey of the Galactic centre II. First data release of the catalogue and the most detailed CMDs of the GC“ in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics

Hochaufgelöste Versionen des Bildes und weiteres Bild- und Animationsmaterial sind zugänglich unter

https://www.eso.org/public/germany/news/eso1920/

Ein Teil der hier beschriebenen Arbeit wurde im Rahmen des Unterprojekts B8 des Sonderforschungsbereiches SFB 881 „Das Milchstraßensystem“ der Universität Heidelberg durchgeführt. Sonderforschungsbereiche sind langfristige Projekte zur Grundlagenforschung, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bis zu einer Dauer von 12 Jahren gefördert werden.

Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist eine Spiralgalaxie und damit ein typischer Vertreter der Galaxien im heutigen Universum. Aufgrund unserer Lage innerhalb der Milchstraße bietet sie uns eine einzigartige Möglichkeit zur Untersuchung der physikalischen Prozesse bei der Entstehung von Galaxien. Die am SFB 881 beteiligten Wissenschaftler untersuchen seit 2008 die Entstehung und Evolution der Milchstraße und ihrer Umgebung. Der SFB 881 befindet sich am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) und umfasst Wissenschaftler des Astronomischen Rechen-Institut (ARI), dem Institut für Theoretische Astrophysik (ITA) und der Landessternwarte Königstuhl (LSW). Die beteiligten außeruniversitären Forschungseinrichtungen sind das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und das Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS). Darüber hinaus beteiligt sich das Haus der Astronomie (HdA), um die Forschungsergebnisse des SFBs der Öffentlichkeit zugänglich zu machen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Francisco Nogueras Lara
Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
Telefon:+49 6221 528-393
E-Mail: nogueras@mpia.de

Dr. Nadine Neumayer
Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
Telefon:+49 6221 528-446
E-Mail: neumayer@mpia.de

Originalpublikation:

Nogueras et al. 2019, "Early formation and recent starburst activity in the nuclear disc of the Milky Way“ in Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-019-0967-9

Dr. Markus Pössel | Max-Planck-Institut für Astronomie
Weitere Informationen:
http://www.mpia.de

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