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HUBBLE
Sternbewegungen in jungem Sternhaufen
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie 
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2. Juni 2010

Mit Hilfe des Weltraumteleskops Hubble haben Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg und der Universität zu Köln Sternbewegungen in einem der massereichsten jungen Sternhaufen der Milchstraße hochpräzise vermessen - mit überraschendem Ergebnis: Die Sterne des Haufens haben noch keinen langfristig stabilen Gleichgewichtszustand erreicht.

NGC 3603

Zentrum des kompakten und nur eine Millionen Jahre alten Sternhaufens im Nebel NGC 3603. Bild: NASA, ESA und Wolfgang Brandner (MPIA), Boyke Rochau (MPIA) und Andrea Stolte (Universität Köln) [Großansicht]

Offene Sternhaufen, zu denen etwa auch die bekannten Plejaden gehören, sind nicht von Dauer: Im Laufe von Dutzenden von Millionen Jahren entfernen sich ihre Sterne voneinander. Bei sehr massereichen und kompakten Sternhaufen ist das anders: Langfristig können sich aus ihnen langlebige "Kugelsternhaufen" entwickeln, deren dicht gepackte Sterne über Milliarden von Jahren hinweg zusammenbleiben.

Mit mehr als 10.000 Mal der Masse der Sonne, konzentriert in einem Volumen mit nur drei Lichtjahren Durchmesser, ist der junge Sternhaufen in dem Nebel NGC 3603 einer der kompaktesten Sternhaufen in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Zum Vergleich: In unserer direkten kosmischen Nachbarschaft findet sich im gleichen Volumen nur ein einziger Stern, nämlich unsere Sonne. Wird NGC 3603 also zu einem Kugelsternhaufen entwickeln? Dieser Frage ist eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Wolfgang Brandner vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg (MPIA) nachgegangen, indem sie die Bewegung von hunderten der Sterne des Haufens verfolgt hat.

Solche Untersuchungen können zeigen, ob der Haufen auseinanderdriftet, oder ob er sich anschickt, zur Ruhe, also zu einem langfristig stabilen Gleichgewichtszustand zu kommen. Außerdem erlauben sie es, die Sterne des Haufens von unbeteiligten Sternen zu unterscheiden, die nur zufällig von der Erde aus gesehen in der gleichen Blickrichtung stehen. Die dafür nötigen Messungen sind kompliziert, wie ein einfaches Beispiel zeigt: Angenommen, ein Stern bewegt sich von der Erde aus gesehen mit einer Geschwindigkeit von einigen Kilometern pro Sekunde seitwärts – eine typische Geschwindigkeit für Sterne in Sternhaufen, dann würde sich seine Position aus einer Entfernung von 20.000 Lichtjahren betrachtet (dem Abstand von NGC 3603 zur Erde) um einige Milliardstel eines Winkelgrads pro Jahr verändern. Auch mit modernsten Instrumenten und Auswertungsmethoden stellt der Nachweis solch winziger Verschiebungen eine große Herausforderung dar.

Mit Hilfe zweier Beobachtungen, die im Abstand von zehn Jahren mit ein und derselben Kamera des Weltraumteleskops Hubble durchgeführt wurden, und dank aufwändiger Auswertungen, die eine Vielzahl von Störquellen berücksichtigen, konnten Brandner und seine Kollegen die nötige Genauigkeit erreichen. Insgesamt beobachteten die Astronomen 800 Sterne. Rund 50 davon stellten sich als Vordergrundsterne heraus, die nicht zu dem betrachteten Sternhaufen gehörten. Für 234 der übrigen mehr als 700 Sterne – eine im Hinblick auf Masse und Oberflächentemperatur recht vielfältige Auswahl – konnten die Astronomen hinreichend genaue Geschwindigkeitsmessungen vornehmen.

"Unsere Messungen sind bis auf 27 Millionstel einer Bogensekunde pro Jahr genau. Stellen Sie sich einen Beobachter in Bremen vor, der aus der Ferne ein Objekt in Wien beobachtet. Bewegt sich dieses Objekt um die Breite eines menschlichen Haares zur Seite, dann ändert sich seine scheinbare Position um 27 Millionstel einer Bogensekunde", erklärt Boyke Rochau vom MPIA, der sich im Rahmen seiner Doktorarbeit um die Auswertung der Beobachtungen gekümmert hat. Er ist auch Erstautor eines Fachartikels in der Zeitschrift Astrophysical Journal.

Die Verteilung der Sterngeschwindigkeiten überraschte die Forscher. Folgt man weithin akzeptierten Modellen, die mit den Beobachtungen an älteren Kugelsternhaufen gut übereinstimmen, dann sollte die Geschwindigkeit der Sterne in Haufen mit ihrer Masse zusammenhängen: Im Mittel sollten sich Sterne mit geringerer Masse schneller, solche mit größerer Masse langsamer bewegen. Die Sterne des Haufens, für die sich die Geschwindigkeiten hinreichend genau bestimmen ließen, haben Massen zwischen zwei und neun Sonnenmassen. Doch ihre mittlere Geschwindigkeit hängt nicht von der Masse ab, sondern beträgt durchweg rund 4,5 Kilometer pro Sekunde (entsprechend einer Positionsänderung von rund 140 Millionstel Bogensekunden pro Jahr).

Offenbar – und überraschender Weise – hat sich in diesem massereichen Sternhaufen noch kein Gleichgewicht eingestellt. Stattdessen dürften die Sterngeschwindigkeiten nach wie vor maßgeblich von den Bedingungen geprägt sein, die bei der Entstehung des Haufens herrschten, vor rund einer Million Jahren. Andrea Stolte von der Universität zu Köln, ein weiteres Mitglied des Astronomenteams, fasst zusammen: "Unsere Messungen liefern Schlüsselinformationen für diejenigen Astronomen, die verstehen wollen, wie solche Sternhaufen entstehen und wie sie sich weiterentwickeln." Die spannende Frage, ob der massereiche junge Sternhaufen in NGC 3603 zu einem Kugelsternhaufen werden wird, bleibt offen.

Den neuen Ergebnissen nach hängt die Antwort davon ab, welche Geschwindigkeiten die Haufensterne haben, deren Massen besonders klein sind. Diese Sterne sind zu leuchtschwach, als dass sich ihre Geschwindigkeiten mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops genau genug messen ließen. "Um herauszufinden, ob die Sterne dieses Haufens mit der Zeit auseinanderlaufen werden oder nicht, sind wir auf die nächste Generation von Teleskopen angewiesen, etwa das James Webb Space Telescope (JWST), oder das European Extremely Large Telescope (E-ELT) der ESO", so Brandner abschließend.

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Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Astronomie
spacetelescope.org
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