MILCHSTRASSE
Das Geheimnis der Sternströme
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
astronews.com
27. Februar 2018

Astronomen haben festgestellt, dass eine kleine Population von Sternen im Halo der Milchstraße vermutlich aus dem Inneren unserer Heimatgalaxie stammt und nicht - wie bislang angenommen - aus einer eingefangenen Satellitengalaxie. Die Entdeckung könnte ein Hinweis auf Schwingungen der Milchstraßenscheibe sein, die bislang nur theoretisch vorhergesagt wurden.

Darstellung einer Simulation der Milchstraßenscheibe, gestört durch die Gezeitenwechselwirkung mit einer Zwerggalaxie. Die Lage der im Rahmen der jetzt vorgestellten Untersuchung beobachteten Sterne oberhalb und unterhalb der Galaxienscheibe sind eingezeichnet. Bild: T. Mueller / NASA / JPL-Caltech [Großansicht]

Die Position unseres Sonnensystems mitten in der Scheibe unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, ermöglicht uns einen Logenplatz bei der Erforschung dieser Galaxien und ihrer Entwicklung. Unsere interne Perspektive stellt uns jedoch auch vor einige Herausforderungen - beispielsweise wenn wir die Form und Größe der Galaxie untersuchen.

Ein weiteres Problem ist auch die Zeit: Wie können wir die galaktische Evolution verfolgen, wenn unsere eigene Lebensspanne (und die unserer Teleskope) weit unterhalb aller kosmischen Zeitspannen liegt? Heutzutage haben wir ein relativ klares Bild der groben Eigenschaften der Milchstraße und wie sie sich zu anderen Galaxien im Universum verhält. Astronomen klassifizieren sie als eine eher durchschnittliche, große Spiralgalaxie, bei der die Mehrzahl der Sterne ihr Zentrum innerhalb einer Scheibe umkreist. Umgeben ist die Milchstraße von einem Halo aus Dunkler Materie, in der sich weitere Sterne befinden.

Diese Halo-Sterne scheinen nicht zufällig im Halo verteilt zu sein - stattdessen sind viele von ihnen in riesigen Strukturen gruppiert - gigantische Sternströme oder Sternenwolken, von denen einige die Milchstraße vollständig umschließen. Diese Strukturen wurden als Signaturen der turbulenten Vergangenheit der Milchstraße interpretiert – etwa Trümmer der vielen kleineren Galaxien, von denen man annimmt, dass sie im Laufe der Zeit mit unserer Galaxie kollidierten und aufgrund der gravitativen Wechselwirkung auseinandergerissen wurden.

Für Wissenschaftler stellen diese Überreste einen Glücksfall dar, können sie doch aus der Untersuchung dieser Galaxien-Fragmente Rückschlüsse auf die turbulente Vergangenheit unserer Galaxie ziehen. Aus den Positionen und Bewegungen der Sterne lässt sich die ursprüngliche Bahn der kollidierten Galaxie ermitteln, während die Analyse der vorhandenen Sterntypen und deren chemischen Zusammensetzung Aufschluss darüber gibt, wie die seit langem tote Galaxie ausgesehen haben könnte.

Ein internationales Team von Astronomen unter der Leitung von Dr. Maria Bergemann vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg fand nun aber überzeugende Beweise dafür, dass einige dieser Halostrukturen nicht ein Überbleibsel dieser zerstörten Zwerggalaxien darstellen, sondern von der Scheibe der Milchstraße selbst stammen. Die Wissenschaftler untersuchten 14 Sterne, die sich in zwei verschiedenen Strukturen im galaktischen Halo befinden, die Triangulum-Andromeda (Tri-And) und die A13-Überdichte. Diese beiden Sternansammlungen liegen an gegenüberliegenden Seiten der galaktischen Scheibenebene.

Frühere Untersuchungen der Bewegung dieser beiden diffusen Strukturen ergaben, dass sie kinematisch assoziiert sind und mit dem Monoceros-Ring in Verbindung gebracht werden könnten, einer ringförmigen Struktur, die sich um die Galaxis windet. Die Art und Herkunft dieser beiden Sternstrukturen ist jedoch noch nicht abschließend geklärt. Die beiden stellaren Überdichten befinden sich jeweils etwa 14.000 Lichtjahre über und unter der galaktischen Ebene.

Bergemann und ihr Team untersuchten nun erstmals detailliert die chemische Zusammensetzung dieser Sterne mithilfe von hochauflösenden Spektren, die mit den Keck-Teleskopen auf Hawaii und dem Very Large Telescope der ESO in Chile gewonnen wurden. "Die Analyse der chemischen Zusammensetzung ist ein sehr sensitiver Test, der es uns, ähnlich wie bei einem DNA-Abgleich, erlaubt, die Herkunft des Sterns zu identifizieren. Sterne aus unterschiedlichen Geburtsorten, wie z.B. die Milchstraßenscheibe oder dem Halo, Zwerggalaxien oder Kugelsternhaufen, haben sehr verschiedene chemische Zusammensetzungen. Wenn wir also wissen, woraus die Sterne bestehen, können wir sie sofort mit ihrem Geburtsort in Verbindung bringen", erklärt Bergemann.

Beim Vergleich der chemischen Zusammensetzungen der untersuchten Sterne mit denen anderer kosmischer Strukturen erlebten die Wissenschaftler eine Überraschung: Zum einen unterschieden sich die chemischen Zusammensetzungen der Sterne sowohl innerhalb als auch zwischen diesen beiden Stern-Ansammlungen praktisch nicht. Ihre Herkunft scheint also dieselbe zu sein. Zum anderen war die Zusammensetzung der Sterne nahezu identisch mit der Elementhäufigkeit von Sternen innerhalb der Milchstraßenscheibe.

Diese Übereinstimmung führt zu dem Schluss, dass diese Sterne höchstwahrscheinlich aus der dünnen galaktischen Scheibe - dem jüngeren Teil der Milchstraßenscheibe, der sich auf die galaktische Ebene konzentriert - selbst stammen und keine Trümmer von kollidierten Zwerggalaxien darstellen.

Aber wie gelangten die Sterne an diese weit entfernten Positionen über und unter der galaktischen Scheibe? Theoretische Modelle, die die Entwicklung der Milchstraße simulieren, beinhalten durchaus Mechanismen, bei denen Sterne in große vertikale Entfernungen von ihrem Geburtsort in der Scheibenebene versetzen werden können. Diese Sternwanderung lässt sich dabei durch eine Schwingung der Galaxienscheibe selbst erklären. Dabei führt die Gezeitenwechselwirkung des Milchstraßenhalos und der Scheibe unserer Galaxis mit einer vorbeiziehenden massereichen Satellitengalaxie zu Schwingungen der Galaxienscheibe.

Die von Bergemann und ihren Kollegen jetzt vorgestellten Ergebnisse liefern den bislang deutlichsten Beweis für diese bisher nur theoretisch postulierten Schwingungen der Milchstraßenscheibe. Die Resultate zeigen, dass der Aufbau und die Dynamik der Milchstraßenscheibe wohl deutlich komplexer sind als bisher angenommen. "Es scheint durchaus üblich zu sein, dass einzelne Ansammlungen von Sternen aus der Scheibe in weiter entfernte Bereiche der Milchstraße transportiert werden, indem sie von einer nahen Satellitengalaxie von ihrem Ursprungsort 'rausgeschmissen' wurden. Ähnliche Verteilungen der chemischen Signaturen von Sternen könnten auch in anderen Galaxien gefunden werden, was dann auf eine galaktische Universalität dieses dynamischen Prozesses hindeuten würde," erläutert Allyson Shefield vom LaGuardia Community College(CUNY), eine Co-Autorin der Studie.

Die Wissenschaftler planen nun, die Spektren weiterer Sterne zu untersuchen, sowohl in den beiden bereits analysierten Überdichten, als auch in anderen Sternstrukturen, die weiter von der Scheibe entfernt sind. Zudem wollen sie die Massen und Alter dieser Sterne bestimmen, um den Zeitpunkt, zu dem diese Wechselwirkung zwischen der Milchstraße und einer ihr nahekommenden Zwerggalaxie wohl stattgefunden hat, eingrenzen zu können.

"Wir gehen davon aus, dass die bereits laufenden wie auch zukünftige Durchmusterungen des Sternhimmels, wie etwa die 4MOST und die Gaia-Mission, weitere einzigartige Informationen über die chemische Zusammensetzung und Kinematik von Sternen in diesen Überdichten liefern werden. Die beiden Strukturen, die wir bereits analysiert haben, hängen unserer Interpretation nach mit einer großflächigen Schwingung der galaktischen Scheibe zusammen. Diese Schwingung dürfte durch die Wechselwirkung der Milchstraße mit einer Zwerggalaxie hervorgerufen worden sein. Mit den Daten der Gaia-Mission könnte es nun möglich werden, das volle Wellenmuster in der galaktischen Scheibe zu erkennen", so Bergemann.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature erschienen ist.