Sonderforschungsbereich 881

Sterne am Rande der Milchstraße - Kosmische Eindringlinge oder Opfer einer galaktischen Vertreibung?

13. Februar 2018

Astronomen haben eine kleine Population von Sternen im Halo der Milchstraße untersucht und dabei festgestellt, dass ihre chemische Zusammensetzung derjenigen der galaktischen Scheibe nahe kommt. Diese Ähnlichkeit liefert zwingende Beweise dafür, dass diese Sterne ursprünglich aus dem Inneren der Scheibe stammen, und nicht etwa aus eingefangenen Satellitengalaxien. Als Auslöser dieser stellaren Migration vermuten Astronomen eine Schwingung der gesamten Milchstraßenscheibe, die durch die Gezeitenwechselwirkung der Milchstraße mit einer vorbeiziehenden massereichen Satellitengalaxie induziert werden.

Die Position unseres Sonnensystems mitten in der Scheibe unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, ermöglicht uns einen Logenplatz bei der Erforschung dieser Galaxien und ihrer Entwicklung.

Unsere interne Perspektive stellt uns jedoch auch vor einige Herausforderungen - beispielsweise wenn wir die Form und Größe der Galaxie zu untersuchen. Ein weiteres Problem ist auch die Zeit: Wie können wir die galaktische Evolution verfolgen, wenn unsere eigene Lebensspanne (und die unserer Teleskope) weit unterhalb aller kosmischen Zeitspannen liegt?

Heutzutage haben wir ein relativ klares Bild der groben Eigenschaften der Milchstraße und wie sie sich zu anderen Galaxien im Universum verhält. Astronomen klassifizieren sie als eine eher durchschnittliche, große Spiralgalaxie, bei der die Mehrzahl der Sterne ihr Zentrum innerhalb einer Scheibe umkreist. Umgeben ist die Milchstraße von einem Halo aus dunkler Materie, in der sich weitere Sterne befinden.

Sternströme und Sternwolken im Halo

Diese Halo-Sterne scheinen nicht zufällig im Halo verteilt zu sein - stattdessen sind viele von ihnen in riesigen Strukturen gruppiert - gigantische Sternenströme oder Sternenwolken, von denen einige die Milchstraße vollständig umschließen. Diese Strukturen wurden als Signaturen der turbulenten Vergangenheit der Milchstraße interpretiert – etwa Trümmer der vielen kleineren Galaxien, von denen man annimmt, dass sie im Laufe der Zeit mit unserer Galaxie kollidierten und aufgrund der gravitativen Wechselwirkung auseinandergerissen wurden.

Für Wissenschaftler stellen diese Überreste einen Glücksfall dar, können sie doch aus der Untersuchung dieser Galaxien-Fragmente Rückschlüsse auf die turbulente Vergangenheit unserer Galaxie 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 chemischen Zusammensetzung Aufschluss darüber gibt, wie die seit langem tote Galaxie ausgesehen haben könnte.

Doch keine Eindringlinge?

Ein internationales Team von Astronomen unter der Leitung von Dr. 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 5 Kiloparsec (14000 Lichtjahre) über und unter der galaktischen Ebene, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Bergemann und ihr Team untersuchten nun erstmals die chemische Zusammensetzung dieser Sterne in Detail, die mit hochauflösenden Spektren der Keck- und VLT- (Very Large Telescope, ESO) Teleskope gewonnen wurden.

„Die Analyse der chemischen Zusammensetzung ist ein sehr sensitiver Test, der es uns, ähnlich wie bei einem DNA-Abgleich, erlaubt, die Herkunft des Sterns zu identifizieren. Sterne aus unterschiedlichen Geburtsorten, wie z.B. die Milchstraßenscheibe oder dem Halo, 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“, erklärt Bergemann.

Chemische Spuren der Herkunft

Beim Vergleich der chemischen Zusammensetzungen der untersuchten Sterne mit denen anderer kosmischer Strukturen erlebten die Wissenschaftler eine Überraschung: Zum einen unterschieden sich die chemischen Zusammensetzungen der Sterne sowohl innerhalb als auch zwischen diesen beiden Stern-Ansammlungen 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! Diese Übereinstimmung führt zu dem Schluss, dass diese 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, die die Entwicklung der Milchstraße simulieren, beinhalten durchaus Mechanismen, bei denen Sterne in große vertikale Entfernungen von ihrem Geburtsort in der Scheibenebene versetzen werden können. Diese Sternwanderung lässt sich dabei durch eine Schwingung der Galaxienscheibe selbst erklären. Dabei führt die Gezeitenwechselwirkung des Milchstraßenhalos und der Scheibe unserer Galaxis mit einer vorbeiziehenden massereichen Satellitengalaxie zu Schwingungen der Galaxienscheibe.

Die von Bergemann und ihre Kollegen nun in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse liefern den bislang deutlichsten Beweis für diese bisher nur theoretisch postulierten Schwingungen der Milchstraßenscheibe!

Vielfältige Dynamik in der Milchstraße

Diese Resultate zeigen, dass der Aufbau und die Dynamik der Milchstraßenscheibe wohl deutlich komplexer sind als bisher angenommen. „Es scheint durchaus üblich zu sein, dass einzelne Ansammlungen von Sternen aus der Scheibe in weiter entfernte Bereiche der Milchstraße transportiert werden, indem sie von einer nahen Satellitengalaxie von ihrem Ursprungsort „rausgeschmissen“ wurden. Ähnliche Verteilungen der chemischen Signaturen von Sternen könnten auch in anderen Galaxien gefunden werden, was dann auf eine galaktische Universalität dieses dynamischen Prozesses hindeuten würde.“ erläutert Allyson Shefield vom LaGuardia Community College(CUNY), eine Co-Autorin der Studie.

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

„Wir gehen davon aus, dass die bereits laufenden wie auch zukünftige Durchmusterungen des Sternhimmels, wie etwa die 4MOST und die Gaia-Mission, weitere einzigartige Informationen über die chemische Zusammensetzung und Kinematik von Sternen in diesen Überdichten liefern werden. Die beiden Strukturen, die wir bereits analysiert haben, hängen unserer Interpretation nach 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 Gaia-Mission könnte es nun möglich werden, das volle Wellenmuster in der galaktischen Scheibe zu erkennen“, fasst Bergemann, die auch im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 881 "Das Milchstraßensystem" an der Universität Heidelberg an der Entwicklung unserer Galaxie forscht, zusammen.

Ergänzende Information:

Die hier präsentierten Ergebnisse wurden in ” Two chemically similar stellar overdensities on opposite sides of the Galactic disc plane” im Fachjournal Nature veröffentlicht.

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Unterprojektes A5 des Sonderforschungsbereiches SFB 881 "Das Milchstraßensystem" der Universität Heidelberg durchgeführt. Sonderforschungsbereiche sind langfristige Projekte zur Grundlagenforschung, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bis zu einer Dauer von 12 Jahren gefördert werden.

Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist eine Spiralgalaxie und damit ein typischer Vertreter der Galaxien im heutigen Universum. Aufgrund unserer Lage innerhalb der Milchstraße bietet sie uns eine einzigartige Möglichkeit zur Untersuchung der physikalischen Prozesse bei der Entstehung von Galaxien. Die am SFB881 beteiligten Wissenschaftler untersuchen seit 2008 die Entstehung und Evolution der Milchstraße und ihrer Umgebung.

Der SFB 881 befindet sich am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) und umfasst Wissenschaftler des Astronomischen Rechen-Institut (ARI), dem Institut für Theoretische Astrophysik (ITA) und der Landessternwarte Königstuhl (LSW). Die beteiligten außeruniversitären Forschungseinrichtungen sind das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und das Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS). Darüber hinaus beteiligt sich das Haus der Astronomie (HdA), um die Forschungsergebnisse des SFBs der Öffentlichkeit zugänglich zu machen.