Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Astronomie

Migration der Sterne

Autoren
Bergemann, Maria
Abteilungen
Galaxien und Kosmologie
Zusammenfassung
Forscher unter der Leitung von Maria Bergemann vom Max-Planck-Institut für Astronomie haben eine Gruppe von Sternen im Umfeld der Milchstraße untersucht und dabei festgestellt, dass ihre chemische Zusammensetzung derjenigen der galaktischen Scheibe ähnelt. Daraus schließen sie, dass die Sterne ursprünglich aus dem Inneren der Scheibe stammen und nicht etwa aus eingefangenen Satellitengalaxien. Als Auslöser dieser stellaren Migration vermuten die Wissenschaftler eine Schwingung der Milchstraßenscheibe – wahrscheinlich verursacht durch die Gezeitenwirkung einer vorbeiziehenden Satellitengalaxie.
Abb. 1: Blick auf die Milchstraße: Darstellung einer Simulation der Milchstraßenscheibe, gestört durch die Gezeitenwechselwirkung mit einer Zwerggalaxie. Die Lage der untersuchten Strukturen Triangulum-Andromeda (Tri-And) und A13 ober- und unterhalb der Galaxienscheibe sind eingezeichnet.

Die Lage unseres Sonnensystems inmitten der Scheibe unserer Milchstraße (Abbildung 1) 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 von den generellen Eigenschaften der Milchstraße. Astronomen klassifizieren sie als eine eher durchschnittlich große Spiralgalaxie, bei der die Mehrzahl der Sterne innerhalb einer Scheibe um das Zentrum kreisen. Umgeben ist die Milchstraße, auch Galaxis genannt, von einem sogenannten Halo, in dem sich weitere Sterne sowie die Dunkle Materie befinden.

Sternströme und Sternwolken im Halo

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

Diese Überreste sind ein Glücksfall für die Astronomie, denn aus ihrer Untersuchung lassen sich Rückschlüsse auf die turbulente Vergangenheit unseres Milchstraßensystems ziehen. Aus den Positionen und Bewegungen der Sterne lässt sich die ursprüngliche Bahn der kollidierten Galaxie ermitteln. Die Analyse der vorhandenen Sterntypen und deren chemischer Zusammensetzung gibt zudem Aufschluss darüber, wie eine solche kleine Zwerggalaxie einst ausgesehen haben könnte.

Doch keine Eindringlinge?

Unsere Untersuchung erbrachte jedoch überzeugende Beweise dafür, dass einige dieser Halostrukturen nicht ein Überbleibsel zerstörter Zwerggalaxien darstellen, sondern von der Scheibe der Milchstraße selbst stammen.

Wir untersuchten 14 Sterne in zwei Ansammlungen, die sich in  verschiedenen Gebieten im galaktischen Halo befinden: Triangulum-Andromeda (TriAnd) und A13. Diese beiden Sternansammlungen liegen an gegenüberliegenden Seiten der galaktischen Scheibenebene. Frühere Untersuchungen der Bewegung dieser beiden Strukturen ergaben, dass sie sich in ähnlicher Weise bewegen 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 Gruppierungen befinden sich jeweils etwa 14.000 Lichtjahre über und unter der galaktischen Ebene (Abbildung 1). Am Very Large Telescope in Chile sowie am Keck-Teleskop auf Hawaii haben wir erstmals die chemische Zusammensetzung dieser Sterne mithilfe von detailreichen Spektren ermittelt.

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. Wenn wir also wissen, woraus die Sterne bestehen, können wir sie sofort mit ihrem Geburtsort in Verbindung bringen.

Chemische Spuren der Herkunft

Abb. 2: Chemische Häufigkeitsverhältnisse von Elementen (Wasserstoff, Eisen, Natrium) in verschiedenen Objektklassen, die in den Spektren gemessen wurden. Die beiden Sterngruppen TriAnd und A13 sind den Sternen in der Milchstraßenscheibe sehr ähnlich. [A/B] steht für den Zehnerlogarithmus des Verhältnisses von A zu B, relativ zum Wert der Sonne.

Der Vergleich der Sterne mit anderen Objekten innerhalb und außerhalb der Milchstraße führte zu einem überraschenden Ergebnid: Zum einen unterschieden sich die chemischen Zusammensetzungen der Sterne sowohl innerhalb als auch zwischen den beiden untersuchten 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 (Abbildung 2).

Aus dieser Übereinstimmung folgt, 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 Überbleibsel von eingewanderten 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 durch eine Schwingung der Galaxienscheibe selbst erklären, ausgelöst die Gezeitenwirkung einer vorbeiziehenden Satellitengalaxie auf die Milchstraße.

Als nächsten Schritt werden wir die Spektren weiterer Sterne untersuchen, sowohl in den beiden bereits analysierten Überdichten, als auch in anderen Strukturen, die weiter von der Scheibe entfernt liegen. Zudem wollen wir 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.

Literaturhinweise

1.
Bergemann, M.; Sesar, B.; Cohen, J. G.; Serenelli, A M.; Sheffield, A.; Li, T. S.; Casagrande, L.; Johnston, K. V.; Laporte, C. F. P.; Price-Whelan, A. M.; Schönrich, R.; Gould, A.
Two chemically similar stellar overdensities on opposite sides of the plane of the Galactic disk
Nature, 555, 334 (2018)

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