KUGELSTERNHAUFEN
Überraschende Rotation im Zentralbereich
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik
astronews.com
9. Mai 2014

Neue Beobachtungen von Kugelsternhaufen haben jetzt zu einem überraschenden Ergebnis geführt: Die Haufen scheinen im Zentrum zu rotieren. Bislang war man davon ausgegangen, dass es - angesichts des hohen Alters dieser Objekte - eine solche Rotation nicht gibt. Die Astronomen konnten zudem einen Zusammenhang zwischen Rotation und Abflachung der Haufen feststellen.

Der Zentralbereich des Kugelsternhaufens Messier 13 in einer Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble. Bild: NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI/AURA) [Großansicht]

Kugelsternhaufen sind uralte Formationen, die es in fast allen Galaxien - auch in unserer Milchstraße - gibt. Sie bestehen aus bis zu einer Million alter, metallarmer Sterne, die durch ihre Schwerkraft in einem engen Verbund gehalten werden. Aufgrund ihres Alters und ihrer einfachen, sphärischen Form - mit einer starken Konzentration der Sterne in Richtung Zentrum - wurden sie in der Vergangenheit meist als dynamisch und entwicklungsgeschichtlich recht einfache Systeme angesehen. Neuere Beobachtungen führen jedoch immer wieder zu überraschenden Ergebnissen.

"Bei allen Kugelsternhaufen, die wir beobachtet haben, finden wir ein Rotationssignal im Zentrum", sagt Maximilian Fabricius vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), der die jetzt vorgestellte Studie leitete. "Wir haben das nicht erwartet; ursprünglich wollten wir bei diesen Kugelsternhaufen ihre zentrale Geschwindigkeitsdispersion messen."

Die Geschwindigkeitsdispersion ist ein Maß für die zufälligen Bewegungen der Sterne in einem Haufen. Rotation bedeutet aber, dass der Haufen tatsächlich eine Drehachse besitzt, um die mehr Sterne in einer Richtung kreisen als in der anderen. "Theorie und numerische Simulationen von Kugelsternhaufen zeigen, dass jegliche zentrale Rotation auf relativ kurzen Zeitskalen verloren gehen sollte", erklärt Teammitglied Eva Noyola von der Universität von Texas in Austin. "Da diese Kugelsternhaufen aber bereits vor Milliarden von Jahren entstanden, würden wir heute keine Rotationssignatur mehr erwarten. Frühere Messungen zeigten zwar eine gewisse Rotation bei einer Handvoll von Systemen, dabei wurde aber nur die Bewegung der Sterne in den Außenbereichen untersucht."

Die neuen Messungen von fast einem Dutzend Kugelsternhaufen waren nur mit Hilfe des VIRUS-W-Instruments am Harlan J. Smith 2,7-Meter-Teleskop des McDonald-Observatoriums in Texas möglich. Dieser am MPE entwickelte, so genannte Integrale Feld-Spektrograph ermöglicht es den Wissenschaftlern, gleichzeitig mehr als 260 Spektren in einem zweidimensionalen Sichtfeld aufzuzeichnen und damit die Bewegung der Sterne mit einer Genauigkeit von einigen Kilometern pro Sekunde zu bestimmen. So lassen sich die Zentren der Haufen schon in einigen wenigen Stunden auf Rotation untersuchen. Ein derartiges Projekt war vor VIRUS-W nicht möglich.

Traditionell bestimmen Astronomen die Geschwindigkeiten von Haufensternen entlang der Sichtlinie jeweils einzeln mit hochauflösenden Spektrographen, mit denen sich die Doppler-Verschiebung der Sterne bestimmen lässt. Dieses Verfahren ist jedoch langwierig und kann aufgrund der großen Zahl von Sternen im Zentrum eines Kugelsternhaufens nur sehr schwierig angewandt werden. Daher gab es bisher keine systematischen Untersuchungen zur zentralen Kinematik von Kugelsternhaufen.

Auch wenn das VIRUS-W-Instrument ursprünglich entwickelt wurde um die Kinematik naher Galaxien zu untersuchen, ergab sich, dass die Kombination aus dem großen Sichtfeld und der relativ hohen spektralen Auflösung dieses Instruments sehr effizient auch für die Untersuchung von Kugelsternhaufen eingesetzt werden kann.

In der Milchstraße existieren etwa 150 Kugelsternhaufen und für die Studie wählten die Astronomen 27 aus, die vom McDonald-Teleskop (also am Nordhimmel) beobachtet werden können. Von August 2012 bis August 2013 wurden die ersten elf Kugelsternhaufen beobachtet. Jetzt präsentierte das Team seine überraschenden Ergebnisse: alle Haufen zeigen ein Rotationssignal.

Darüber hinaus steht die Rotation in sehr enger Beziehung zu der relativ schwachen Abflachung der Kugelsternhaufen. Dies deutet darauf hin, dass es die Rotation ist, die für die Abflachung dieser Haufen verantwortlich ist und nicht zum Beispiel der Einfluss des Gezeitenfeldes der Milchstraße. Diese Ergebnisse werfen interessante Fragen in Bezug auf die Entstehungsgeschichte und die Entwicklung der Kugelsternhaufen auf - keines der aktuellen theoretischen Modelle sagt eine derart weit verbreitete Rotation voraus.

Die Forscher weisen allerdings darauf hin, dass unter den vorliegenden Messungen keine Kugelsternhaufen sind, bei denen ein sogenannter "Kernkollaps" stattgefunden hat. Es sei daher vorstellbar, dass bei diesem Prozess die Rotation verloren geht. Sie hoffen, dass sich bei künftigen Beobachtungen der restlichen Haufen auch weitere Fragen beantworten lassen werden, wie etwa die nach einer möglichen Korrelation zwischen der Rotation und der Position eines Kugelsternhaufens in unserer Milchstraße.

Über ihre aktuellen Beobachtungen berichten die Astronomen in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters.