Galaxien-Crash datiert

Ein einzelner Stern gibt Aufschluss über die Kollision der Milchstraße mit der Zwerggalaxie Gaia-Enceladus. Diese hat sich wahrscheinlich vor etwa 11,5 Milliarden Jahren ereignet

13. Januar 2020

Vor wahrscheinlich etwa 11,5 Milliarden Jahren ist die Zwerggalaxie Gaia-Enceladus mit der Milchstraße kollidiert. Zu diesem Ergebnis kommt ein Forscherteam, zu dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen gehören, und legt damit eine völlig neue Art der zeitlichen Einordnung des Ereignisses vor. Erstmals nutzten die Forscherinnen und Forscher unter Leitung der Universität Birmingham für die Datierung einen einzelnen Stern, der von der Kollision betroffen war, als Hinweisgeber. Mithilfe von Messdaten bodengebundener Observatorien und von Weltraumteleskopen konnten sie das Alter des Sterns und die Rolle, die er bei der Kollision spielte, bestimmen. Die Forschergruppe berichtet von ihren Ergebnissen heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy. 

Dass Galaxien miteinander kollidieren und dann verschmelzen, ist auf kosmischen Zeitskalen gesehen keine Seltenheit. Selbst wenn beide „Unfallbeteiligten“ von sehr unterschiedlicher Größe sind, hinterlässt ein solcher Zusammenstoß deutliche Spuren in der größeren Galaxie. So trägt die kleinere Galaxie beispielsweise Sterne mit anderer chemischer Zusammensetzung ein, die Wechselwirkung der Galaxien verändert die Bewegung der Sterne, und haufenweise neue Sterne entstehen.

Aufnahmen des Weltraumteleskops TESS von einem Teil des Südhimmels, welche die Position von ν Indi (blauer Kreis), die Ebene der Milchstraße (unten links) und den südlichen Ekliptikpol (oben) zeigt. Die Aufnahmen stammen aus Daten, die TESS bei der Beobachtung der Sektoren 1, 12 und 13 gesammelt hat.

Auch die Milchstraße ist in ihrer 13,5 Milliarden-jährigen Geschichte mehrfach anderen Galaxien begegnet. Eine davon ist die Zwerggalaxie Gaia-Enceladus. Um zu verstehen, wie sich dieses Ereignis auf unsere Heimatgalaxie ausgewirkt und sie nachhaltig verändert hat, ist es wichtig, die Kollision verlässlich zu datieren. Zu diesem Zweck richteten die Forscherinnen und Forscher um Bill Chaplin von der Universität Birmingham ihr Augenmerk auf einen einzelnen Stern: ν Indi findet sich im Sternbild Indus; mit einer scheinbaren Helligkeit vergleichbar mit der des Uranus ist er ein dankbares Beobachtungsobjekt.

„Das Weltraumteleskop TESS hat bereits im ersten Monat seines wissenschaftlichen Betriebs detaillierte Messdaten von ν Indi gesammelt“, so Saskia Hekker, Leiterin der Forschungsgruppe „Das Alter von Sternen und galaktische Entwicklung“ am MPS und Koautorin der neuen Studie. Das Weltraumteleskop startete 2018 ins All mit dem Ziel, den gesamten Himmel zu durchmustern und möglichst viele Sterne detailliert zu charakterisieren. „Die Daten von TESS erlauben es uns, das Alter des Sterns sehr genau zu bestimmen“, fügt die Wissenschaftlerin hinzu.

Zudem entpuppte sich ν Indi als eine Art stellares Gedächtnis der Kollision mit der Zwerggalaxie Gaia-Enceladus. Um seine Rolle bei dem Zusammenstoß zu rekonstruieren, wertete die Forschergruppe zahlreiche Datensätze zu v Indi aus, die mittels der Spektrografen HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) und FEROS (Fiber-fed Extended Range Optical Spectrograph) der Europäischen Südsternwarte, des Galaxy Evolution Experiments des Apache Point Observatoriums in New Mexiko und des Weltraumteleskops Gaia gewonnen wurden. So konnten Astronomen sowohl die chemische Zusammensetzung des Sterns als auch seine Bewegung innerhalb der Galaxie genau bestimmen.

Die kosmische Detektivarbeit ergab ein klares Bild: ν Indi gehört seit Urzeiten zum Halo, dem äußeren Bereich der Milchstraße, doch der Zusammenstoß veränderte seine Flugbahn. „Da die Bewegung von ν Indi von der Kollision beeinflusst wurde, muss sie stattgefunden haben, als der Stern bereits entstanden war“, erklärt Chaplin die Argumentationskette der neuen Veröffentlichung. Das Alter des Sterns ist deshalb eine obere Grenze für den Zeitpunkt der Kollision.

Zur Altersbestimmung eines Sterns nutzen Forscherinnen und Forscher seine natürlichen Schwingungen, die sich an der Sternoberfläche als Helligkeitsschwankungen zeigen. „Ähnlich wie Erdbebenwellen Rückschlüsse auf das Erdinnere zulassen, kann man aus den stellaren Schwingungen auf die innere Struktur und den Aufbau des Sterns und damit auf sein Alter schließen“, sagt MPS-Wissenschaftlerin und Koautorin Nathalie Themessl.

Die Auswertungen der MPS-Forscherinnen und -Forscher und weiterer Teams ergab, dass der Galaxien-Crash mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 Prozent vor 13,2 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Mit 68-prozentiger Wahrscheinlichkeit liegt der Zusammenstoß nur etwa 11,5 Milliarden Jahre zurück. „Diese zeitliche Einordnung hilft uns zu verstehen, wie dauerhaft der Zusammenstoß unsere Galaxie verändert hat“, sagt Hekker. „So können wir auch bei anderen Galaxien den Einfluss von Zusammenstößen und Verschmelzungen besser einschätzen und ihre Entwicklung verstehen.“

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