Migration der Sterne

Offenbar versetzt eine Schwingung der Milchstraßenscheibe die Sonnen in große vertikale Entfernungen von ihrem Geburtsort

Forscher unter Leitung von Maria Bergemann vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg haben eine Gruppe von Sternen im Umfeld der Milchstraße untersucht und dabei festgestellt, dass ihre chemische Zusammensetzung derjenigen der galaktischen Scheibe ähnelt. Dies gilt als Beweis dafür, dass die Sterne ursprünglich aus dem Innern der Scheibe stammen und nicht etwa aus eingefangenen Satellitengalaxien. Als Auslöser dieser stellaren Migration vermuten die Wissenschaftler eine Schwingung der gesamten Milchstraßenscheibe; Ursache dafür könnte die Gezeitenwechselwirkung der Galaxis mit einer vorbeiziehenden massereichen Satellitengalaxie sein.

Blick auf die Galaxis: Darstellung einer Simulation der Milchstraßenscheibe, gestört durch die Gezeitenwechselwirkung mit einer Zwerggalaxie. Die Lage der von den Forschern untersuchten Strukturen – die Triangulum-Andromeda (Tri-And)- und die A13-Überdichte – oberhalb und unterhalb der Galaxienscheibe sind eingezeichnet.

Die Position unseres Sonnensystems inmitten der Scheibe unserer Milchstraße ermöglicht uns einen Logenplatz bei der Erforschung von Galaxien und ihrer Entwicklung. Diese Innenansicht stellt uns jedoch auch vor einige Herausforderungen – etwa, wenn wir die Form und Größe unserer kosmischen Heimatinsel untersuchen wollen. Ein weiteres Problem: Wie können wir die galaktische Evolution verfolgen, wenn unsere eigene Lebenszeit weit unterhalb aller kosmischen Zeitspannen liegt?

Dennoch haben wir heute ein relativ klares Bild der groben Eigenschaften der Milchstraße. Astronomen klassifizieren sie als eine eher durchschnittlich große Spiralgalaxie, bei der die Mehrzahl der Sterne ihr Zentrum innerhalb einer Scheibe umkreist. Umgeben ist die Milchstraße, auch Galaxis genannt, von einem sogenannten Halo aus dunkler Materie, in der sich weitere Sterne befinden.

Diese Halosterne scheinen nicht zufällig im Halo verteilt zu sein: Viele von ihnen sind in riesigen Strukturen gruppiert – gigantische Sternenströme oder Sternenwolken, von denen einige die Milchstraße vollständig umschließen. Diese Strukturen gelten gemeinhin als Signaturen der turbulenten Vergangenheit der Galaxis, etwa als Trümmer der vielen kleineren Galaxien, die vermutlich in der Vergangenheit immer wieder mit unserer Milchstraße kollidierten und aufgrund der gravitativen Wechselwirkung auseinandergerissen wurden.

Für Wissenschaftler stellen diese Überreste einen Glücksfall dar, können sie doch aus deren Untersuchung Rückschlüsse auf die turbulente Vergangenheit unseres Milchstraßensystems 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 chemischer Zusammensetzung Aufschluss darüber gibt, wie eine solche kleine Galaxie einst ausgesehen haben könnte.

Ein internationales Team unter der Leitung von 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 (Abbildung). Bergemann und ihre Kollegen untersuchten nun erstmals die chemische Zusammensetzung dieser Sterne mithilfe von detailreichen Spektren, die am chilenischen Very Large Teleskope sowie am Keck-Teleskop auf Hawaii gewonnen wurden.

„Die Analyse der chemischen Zusammensetzung ist ein sehr sensitiver Test. Ähnlich wie bei einem DNA-Abgleich erlaubt er uns, die Herkunft des jeweiligen Sterns zu identifizieren. Sterne aus unterschiedlichen Geburtsorten – aus der Milchstraßenscheibe oder dem Halo, aus Zwerggalaxien oder Kugelsternhaufen – haben sehr verschiedene chemische Zusammensetzungen“, sagt Maria Bergemann. „Wenn wir also wissen, woraus die Sterne bestehen, können wir sie sofort mit ihrem Geburtsort in Verbindung bringen.“

Beim Vergleich der Sterne mit anderen kosmischen Strukturen erlebten die Wissenschaftler eine Überraschung: Zum einen unterschieden sich die chemischen Zusammensetzungen der Sterne sowohl innerhalb als auch zwischen den beiden oben genannten Sternansammlungen 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.

Aus dieser Übereinstimmung folgern die Forscher, dass die 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, welche die Entwicklung der Milchstraße simulieren, beinhalten durchaus Mechanismen, bei denen Sterne in große vertikale Entfernungen von ihrem Geburtsort in der Scheibenebene versetzt werden können. Diese Sternwanderung lässt sich dabei durch eine Schwingung der Galaxienscheibe selbst erklären: durch die Gezeitenwechselwirkung des Halos und der Scheibe unserer Galaxis mit einer vorbeiziehenden massereichen Satellitengalaxie.

Die Wissenschaftler planen nun, die Spektren weiterer Sterne zu untersuchen, sowohl in den beiden bereits analysierten Überdichten, als auch in anderen Strukturen, die weiter von der Scheibe entfernt liegen. Zudem wollen sie die Massen und das 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.

Das Fazit von Maria Bergemann: „Die beiden von uns analysierten Strukturen hängen wohl 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 Satellitenmission Gaia könnte es nun möglich werden, das volle Wellenmuster in der galaktischen Scheibe zu erkennen.“

RH / HOR

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