Gigantische Stürme fegen Galaxien leer

Das Infrarot-Observatorium Herschel entdeckt, wie Milchstraßensysteme Substanz verlieren

10. Mai 2011

In den Zentren vieler Galaxien haben Astronomen des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching mit dem Wissenschaftssatellit Herschel riesige Sturmwolken aus molekularem Gas nachgewiesen. Dabei treten Windgeschwindigkeiten von teilweise mehr als 1000 Kilometern pro Sekunde auf – das Vieltausendfache von Wirbelstürmen auf der Erde. In Galaxien mit den aktivsten Kernen wehen die stärksten Winde. Sie können den gesamten Gasnachschub wegblasen und sowohl die weitere Sternentstehung stoppen als auch das Anwachsen des zentralen Schwarzen Lochs.

Diese Illustration zeigt eine sehr leuchtstarke Infrarotgalaxie mit massereichen Winden aus molekularem Gas.

Weit entfernte Galaxien im Universum zeigen viel mehr Aktivität als unsere Milchstraße heute. Die gängige Erklärung: Gasreiche Galaxien verschmelzen miteinander, was nicht nur zu erhöhter Sternentstehung führt („Starburst-Galaxien“), sondern auch das Schwarze Loch im Zentrum anwachsen lässt. Plötzlich endet diese Phase der "Fruchtbarkeit" – in nur wenigen Millionen Jahren sinkt die Zahl der Sterngeburten rapide und auch das Schwarze Loch wächst nicht mehr weiter. In dieser für kosmische Verhältnisse kurzen Zeitspanne müssen gewaltige Mengen Rohmaterial, etwa eine Milliarde Sonnenmassen, aus der Galaxie entfernt werden. Doch welche physikalischen Prozesse stecken dahinter?

Eine Lösung für dieses Rätsel könnten extrem starke, massereiche Winde sein, die das Gas förmlich aus den Zentren der Galaxien herausblasen. Angetrieben von neu gebildeten Sternen, den Schockfronten von Sternexplosionen oder auch dem zentralen Schwarzen Loch könnten sie die Materie nahezu vollständig aus einer Galaxie entfernen und so exakt jene Aktivitäten zum Erliegen bringen, durch die sie überhaupt erst entstanden sind.

„Dass Galaxien molekulares Gas – und damit das Rohmaterial für die Sternentstehung – in gewaltigen Winden regelrecht wegblasen, ist ein essenzieller Bestandteil in den Modellen zur Galaxienentstehung und -entwicklung. Aber vor unseren Beobachtungen gab es keine eindeutigen Beweise dafür“, sagt Eckhard Sturm vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.

Mit dem PACS-Instrument an Bord des Herschel-Weltraumobservatoriums nahm ein internationales Team unter Sturms Leitung einige besonders leuchtkräftige Infrarotgalaxien ins Visier. Die Forscher entdeckten die starken Winde aus kaltem, molekularem Gas. Bisherige Beobachtungen beschränkten sich weitgehend auf neutrales und ionisiertes Gas, das nicht direkt an der Sternentstehung beteiligt ist.

„Mit diesem Nachweis von starken galaktischen Winden können wir endlich direkt ihren Einfluss auf die Geburt von Sternen beobachten“, erklärt Sturm. „Der Nachschub für weitere Sternentstehung gerät damit sehr schnell ins Stocken – die Winde blasen bis zu tausend Sonnenmassen pro Jahr aus den Zentren der Galaxien heraus.“

Diese Beobachtungen zeigen damit nicht nur einen Zwischenschritt in der Galaxienentwicklung – von Scheibengalaxien mit vielen jungen Sternen und einem hohen Gasanteil hin zu elliptischen Galaxien mit alten Sternpopulationen und wenig Gas. Sie erklären auch einen weiteren empirische Befund: Die Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie und die Masse der Sterne im inneren Bereich scheinen zusammenzuhängen. Eine solche Korrelation wäre eine natürliche Folge der jetzt gefundenen galaktischen Winde, da diese das gemeinsame Gasreservoir entfernen und somit sowohl die Sternentstehung als auch das Wachstum des Schwarzen Lochs unterbinden.

Fingerabdruck im Spektrum: Um den galaktischen Wind auf die Schliche zu kommen, benutzt Herschel-PACS die charakteristische Linie des Hydroxyl-Moleküls (OH). Die Strahlung aus dem galaktischen Zentrum scheint durch die Gaswolken entlang der Sichtlinie, in denen das OH-Molekül das Licht verschluckt – und da diese Wolken auf uns zu rasen, sind deren Spektrallinien ins Blaue verschoben. Gleichzeitig emittieren alle Gaswolken die OH-Linie, insbesondere diejenigen, die nicht genau auf der Sichtlinie zum Schwarzen Loch liegen; dabei bewegen sie sich von uns weg – ihr Licht erreicht uns rotverschoben.

„Die Empfindlichkeit von Herschel erlaubt es uns zum ersten Mal, diese gewaltigen galaktischen Stürme nachzuweisen“, sagt Mitautor Albrecht Poglitsch, der die Entwicklung des PACS-Instruments am Garchinger Max-Planck-Institut leitete. „Damit können wir nun auch zeigen, dass sie stark genug sein könnten, um die weitere Produktion von Sternen komplett einzustellen.“

Die Beobachtungen reichen noch nicht aus, um die treibende Kraft hinter diesen Winden definitiv zu bestimmen. Allerdings scheint es zwei Kategorien zu geben: Galaxien mit starker Sternentstehung („Starburst-Galaxien“) verlieren bis zu einigen hundert Sonnenmassen an Gas pro Jahr – eine Menge, die ungefähr auch ihrer Sternentstehungsrate entspricht. Mit Geschwindigkeiten von mehreren hundert Kilometern pro Sekunde werden diese Winde wahrscheinlich vom Strahlungsdruck der Sterne und von Sternexplosionen angetrieben.

Galaxien, die durch das Schwarze Loch in ihrem Zentrum dominiert werden, büßen sehr viel mehr Material ein, bis zu tausend Sonnenmassen pro Jahr und mehr; ihre Winde mit Geschwindigkeiten von etwa tausend Kilometern pro Sekunde werden wahrscheinlich hauptsächlich durch den Strahlungsdruck des aktiven Galaxienkerns verursacht. Um diese ersten Ergebnisse zu bestätigen und andere Eigenschaften der Winde zu klären, werden die Herschel-PACS-Beobachtungen bei einer größeren Anzahl Galaxien fortgesetzt.

(HAE / HOR)

Geleitet vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Pyhsik in Garching, wurde PACS durch ein Konsortium entwickelt, dem auch folgende Institute angehören: UVIE (Österreich); KU Leuven, CSL, IMEC (Belgien); CEA, LAM (Frankreich); MPIA (Deutschland); INAF-IFSI/OAA/OAP/OAT, LENS, SISSA (Italien); IAC (Spanien). Diese Instrumentenentwicklung wurde gefördert durch BMVIT (Österreich), ESA-PRODEX (Belgien), CEA/CNES (Frankreich), DLR (Deutschland), ASI/INAF (Italien), und CICYT/MCYT (Spanien).

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