Im Kreißsaal der Sterne

Molekülwolken in der Whirlpoolgalaxie sind offenbar in Nebelschwaden eingebettet, deren Druck über die Geburt von Sonnen entscheidet

10. Dezember 2013

Eine mehrjährige Studie der Whirlpoolgalaxie (M 51) hat unser Verständnis der riesigen Molekülwolken verändert, in denen Sterne geboren werden. Die Untersuchung mit einem Katalog von 1500 solcher Wolken zeigt, dass diese offenbar in eine Art diffuser Molekül-Nebelschwaden eingebettet sind, welche die gesamte galaktische Scheibe durchziehen. Der von diesen Nebelschwaden ausgeübte Druck bestimmt, ob sich in den Wolken neue Sterne bilden oder nicht. Geleitet hat die Studie Eva Schinnerer vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie; sie beruht wesentlich auf Daten der Millimeter-Teleskope des Observatoriums IRAM.

Molekülwolken im Whirlpool: Die blauen Strukturen zeigen die Verteilung der Wasserstoffmoleküle in der Galaxie M 51 an, des Rohmaterials für die Sternentstehung. Im  Hintergrund ist ein Bild des Milchstraßensystems im sichtbaren Licht montiert, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Hubble. Darüber ist in blau die CO(1-0)-Strahlung der Kohlenstoffmonoxid-Moleküle gezeigt, die für die PAWS-Studie mit den Millimeterteleskopen des Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) aufgenommen wurden; da Kohlenstoffmonoxid- und Wasserstoffmoleküle zusammen auftreten, zeichnet diese Strahlung die Verteilung von molekularem Wasserstoff nach.

Die meisten Sterne einer Galaxie werden im Innern von großen Molekülwolken (giant molecular clouds, GMCs) geboren – Ansammlungen von Wasserstoffmolekülen mit Massen zwischen dem Tausend- und dem Millionenfachen der Sonnenmasse. Kollabiert eine Gasregion innerhalb dieser Wolken unter ihrer eigenen Schwerkraft, dann zieht sich die Materie darin soweit zusammen, bis Druck und Temperatur hoch genug sind, um die Kernfusion zu zünden: Ein neuer Stern ist entstanden.

Jetzt stellt eine Studie die herkömmlichen Ansichten der Astronomen über diese stellaren Kreißsäle infrage. „In den vergangenen vier Jahren haben wir die vollständigste Kartierung solcher riesigen Molekülwolken in einer Spiralgalaxie vorgenommen, die unserer eigenen Milchstraße sehr ähnlich ist“, sagt Eva Schinnerer. Dazu haben die Forscher rekonstruiert, wie viele Wasserstoffmoleküle es dort gibt und wie die Moleküle sowie die älteren und die jüngeren Sterne der Galaxie verteilt sind. „Dabei ergibt sich ein Bild, das sich deutlich von dem unterscheidet, was wir bisher über diese Molekülwolken dachten.”

Die Durchmusterung heißt verkürzt PAWS und hat die sogenannte Whirlpoolgalaxie M 51 ins Visier genommen, eine Spiralgalaxie im Sternbild Jagdhunde (Canes Venatici), rund 23 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Herausgekommen ist ein Atlas, der innerhalb dieses Milchstraßensystems mehr als 1500 einzelne Molekülwolken verzeichnet.

„Astronomen haben sich diese Molekülwolken früher immer als Einzelgänger vorgestellt, die für sich alleine durch das extrem dünne Gas des interstellaren Mediums driften. In den Wolken, so dachte man, sei der überwiegende Teil der Wasserstoffmoleküle einer Galaxie gespeichert“, sagt die Heidelberger Max-Planck-Forscherin Annie Hughes, die an der Studie beteiligt war.

Stattdessen hat das Team festgestellt, dass sich in der Whirlpoolgalaxie rund die Hälfte der Wasserstoffmoleküle in einer Art diffuser Nebelschwaden befinden, welche die Molekülwolken umgeben und die gesamte Scheibe der Galaxie ausfüllen.

Den Spiralarmen von Spiralgalaxien – Verdichtungen, die sich ausbreiten wie Wellen auf einem See – hatten die Astronomen bereits früher eine wichtige Rolle bei der Sternentstehung zugewiesen: In den Spiralarmen mit ihrem dichteren Gas seien die Bedingungen für die Geburt neuer Sterne besonders günstig. Doch die Studie zeigt, dass auch die jetzt entdeckten Nebelschwaden aus Gas eine wichtige Rolle spielen.

Nach den Worten von Sharon Meidt, ebenfalls Postdoktorandin am Max-Planck-Institut, sind die Molekülwolken definitiv keine Einzelgänger. Im Gegenteil: Ob sich in einer dieser Wolken neue Sterne bilden, hängt entscheidend von der Wechselwirkung zwischen der Wolke, den umgebenden Nebelschwaden und der großräumigen Struktur der Galaxie ab.

Bewegen sich die Nebelschwaden relativ zu den Spiralarmen der Galaxie, dann nimmt der Druck in ihrem Innern ab – Folge eines allgemeinen Strömungsgesetzes, des Bernoulli-Gesetzes. „Auch auf die Wolken im Innern der Nebelschwaden wirkt dann nur noch ein geringerer Außendruck. Dadurch wird es unwahrscheinlich, dass solch eine Wolke kollabiert und neue Sterne bildet“, sagt Meidt.

Bernoullis Gesetz steckt übrigens auch zumindest zum Teil hinter einem unangenehmen Effekt, den viele Leser aus dem Alltag kennen dürften: Ein Duschvorhang wird beim Duschen aufgrund des verringerten Drucks nach innen gezogen.

„Bisher haben wir mit der Whirlpoolgalaxie nur eine einzige Beispielgalaxie derart genau untersucht. Als Nächstes müssen wir nachprüfen, wieweit sich unsere Ergebnisse auf andere Galaxien übertragen lassen“, sagt Eva Schinnerer. Dafür eignen sich die geplante Erweiterung NOEMA der Teleskope des Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) auf dem Plateau de Bure ebenso wie die Anlage ALMA in Chile. „Mit diesen Instrumenten können wir Wolkenatlanten für Spiralgalaxien erstellen, die noch deutlich weiter entfernt sind als die Whirlpoolgalaxie”, so Schinnerer.

MP / HOR

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