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MPIA Pressemitteilung Wissenschaft 2013-06
Mittwoch, 24. Juli 2013, 19:00 Uhr MESZ


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Sternentstehung ohne Zukunft: NGC 253 und die Grenzen des galaktischen Wachstums

Astronomen gehen seit längerem davon aus, dass überreichliche Sternproduktion in der Gegenwart die Möglichkeiten einer Galaxie einschränkt, auch in Zukunft Sterne zu produzieren. Nun konnte eine Astronomengruppe, zu der auch Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie gehört, die ersten detailreichen Bilder dieser Art selbstlimitierenden galaktischen Verhaltens aufnehmen: molekulares Gas, Rohmaterial der Sternentstehung, das aus den Sternentstehungsgebieten in der Sculptor-Galaxie (NGC 253) strömt. Die Studie, die das jüngst in Betrieb genommene Verbundteleskop ALMA in Chile nutzt, wird am 25. Juli 2013 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.


Abbildung 1: Falschfarbendarstellung der Daten, die ALMA bei Beobachtungen der Starburst-Galaxie NGC 253 aufgenommen hat. Die Farbe gibt die Intensität des empfangenen Lichts an, von schwachem Leuchten bei blauer bis hin zu starkem Leuchten bei rötlicher Färbung. Diese und ähnliche Visualisierungen haben den Astronomen dabei geholfen, das Ausströmen von molekularem Wasserstoffgas aus den Sternentstehungsregionen in den Zentralbereichen von NGC 253 nachzuweisen. Das hier gezeigte Bild ist Titelbild der Ausgabe vom 25. Juli 2013 der Fachzeitschrift 'Nature'.

Bild: E. Rosolowsky (University of Alberta)
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Galaxien – Systeme aus bis zu Hunderten Milliarden von Sternen wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße – sind die Grundbausteine des Kosmos auf großen Skalen. Ein wichtiges Ziel der Astronomie ist es, zu verstehen, wie sich Galaxien ausgehend von den ersten Protogalaxien kurz nach dem Urknall bis heute entwickelt haben. Eine entscheidende Frage dabei: Was bestimmt, wie viele Sterne in einer Galaxie entstehen?

Ein wichtiger Teil der Antwort sind Mechanismen, die zukünftige Sternentstehung behindern können. Paradoxerweise gehört dazu auch die Sternentstehung selbst: Bilden sich neue Sterne, dann ist ein gewisser Anteil davon sehr massereich. Massereiche Sterne leuchten sehr hell, und ihre intensive Strahlung führt zu »Sternwinden«: Gas- und Plasmaströme vom Stern weg, die stark genug sein können, um Gas gänzlich aus der Galaxie hinaus zu treiben. Außerdem beenden massereiche Sterne ihr verhältnismäßig kurzes Leben in spektakulären Explosionen (Supernovae) und schleudern dabei ihre äußeren Schalen in den Weltraum hinaus – zusammen mit etwaigem Material, das der Explosion in die Quere kommt. Auf diese Weise können Episoden starker Sternentstehung, sogenannte »Starbursts«, die Bildung zukünftiger Sterngenerationen stark behindern. Molekulares Gas, das aus der Galaxie hinaus geschleudert wurde, kann schließlich nicht mehr als Rohmaterial für neue Sterne dienen. Es gibt Grenzen des galaktischen Wachstums.

So weit, so gut. Was allerdings bislang fehlte, war der direkte Nachweis, dass Starbursts in der Tat starke molekulare Gasausflüsse erzeugen können. Diese Lücke konnte jetzt geschlossen werden: durch Beobachtungen eines Astronomenteams um Alberto Bolatto (University of Maryland, College Park), das sich die Starburst-Galaxie NGC 253 genauer angesehen hat.

NGC 253, auch bekannt als Sculptor-Galaxie, ist eine Spiralgalaxie im Sternbild »Bildhauer« (lat. Sculptor) am Südsternhimmel. Mit einer Entfernung von elf Millionen Lichtjahren ist sie einer unserer näheren galaktischen Nachbarn und die uns nächste von der Südhalbkugel aus sichtbare Starburst-Galaxie. Mit dem Verbundteleskop ALMA visierten die Astronomen die Zentralregion der Galaxie NGC 253 an – und fanden in der Tat molekulares Gas, das senkrecht zur galaktischen Scheibe ausströmt!

Bolatto, Erstautor der Studie, mit der die Ergebnisse jetzt in der Fachzeitschrift Nature vorgestellt werden, erklärt: »Die Gasmenge, die wir messen, zeigt deutlich, dass einige sternbildende Galaxien mehr Gas ausspucken als sie aufnehmen.« Die Astronomen schätzen, dass NGC 253 jedes Jahr Gas mit einer Gesamtmasse von neun Sonnenmassen auswirft. Das ist rund dreimal soviel wie die Gesamtmasse der Sterne, die jedes Jahr in NGC 253 neu entstehen. (Diese Masse wiederum ist um ein Vielfaches größer als die aller Sterne, die jährlich in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, entstehen.)

Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie, ein Ko-Autor der Studie, fügt hinzu: »Für mich ist das ein Paradebeispiel dafür, wie neue Instrumente die Zukunft der Astronomie bestimmen. Wir haben die Starburst-Region in NGC 253 und andere nahgelegene Starburst-Galaxien fast zehn Jahre lang untersucht. Aber bevor es ALMA gab, hatten wir keine Chance, derart feine Details zu sehen.« Dabei nutzten die Beobachtungen von Bolatto und seinen Kollegen eine frühe Konfiguration von ALMA mit nur 16 Antennen. »Es ist aufregend, sich auszumalen, was uns die komplette ALMA mit ihren 66 Antennen über diese Art von Materieströmen zeigen wird«, schließt Walter.
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Kontakt

Dr. Fabian Walter (Koautor)
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg
Telefon: (+49|0) 6221 – 528 225
E-Mail: walter@mpia.de

Dr. Markus Pössel (Öffentlichkeitsarbeit)
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg
Telefon: (+49|0) 6221 – 528 261
E-Mail: pr@mpia.de

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Hintergrundinformationen

Die hier beschriebene Arbeit wird veröffentlicht als: Bolatto et al., "Suppression of star formation in the galaxy NGC 253 by a starburst-driven molecular wind" in der Nature-Ausgabe vom 25. Juli 2013.

Die Mitglieder der Arbeitsgruppe sind Alberto D. Bolatto, Steven R. Warren (beide University of Maryland, College Park [UMD]), Adam K. Leroy (National Radio Astronomy Observatory [NRAO]), Fabian Walter (Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA]), Sylvain Veilleux (UMD), Eve C. Ostriker (Princeton University), Jürgen Ott (NRAO), Martin Zwaan (European Southern Observatory), David B. Fisher (UMD), Axel Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie), Erik Rosolowsky (University of British Columbia) und Jacqueline Hodge (MPIA).

Bolatto verbringt derzeit ein Forschungssemester am Max-Planck-Institut für Astronomie.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europäischer Seite aus wird ALMA über die Europäische Südsternwarte (ESO) finanziert, in Nordamerika von der National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC), und in Ostasien von den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

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Fragen und Antworten

Was ist neu an diesen Beobachtungen?
Dass es diese Sorte von Materieströme gibt, hatten die Astronomen bereits seit längerem angenommen. Röntgen-Beobachtungen von NGC 253 hatten zuvor bereits gezeigt, dass sehr dünnes und heißes Gas aus diesen Regionen ausströmt. Aber dies ist der erste direkte Nachweis, dass dort auch große Mengen molekularen Gases, also des Rohmaterials für Sternentstehung, ausströmen – und damit der erste direkte Nachweis, dass diese Materieflüsse tatsächlich die Möglichkeiten der Galaxie einschränken, in Zukunft weitere Sterne zu bilden.


Welche Teleskope wurden in dieser Studie verwendet und was wurde beobachtet?
Die Beobachtungen nutzten das internationale Verbundteleskops ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array), das in Chile stationiert ist und es den Astronomen erlaubt, Strahlung im Millimeter/Submillimeter-Bereich in beispiellosem Detailreichtum aufzuzeichnen. Die Beobachtungen von NGC 253 konzentrierten sich dabei auf die Strahlung von Kohlenmonoxid-Molekülen. Kohlenmonoxid tritt überall dort auf, wo es auch molekularen Wasserstoff gibt, also das Rohmaterial der Sternentstehung. Aus dem Vorkommen von Kohlenmonoxid lässt sich daher direkt auf die Anwesenheit von molekularem Wasserstoff schließen. Zusätzliche Daten wurden mit dem 22-Meter-Mopra-Radioteleskop gewonnen, das in der Nähe von Coonabarabran in New South Wales, steht. Das Mopra-Teleskop gehört zu der Australia Telescope National Facility, die von der australischen Forschungsorganisation CSIRO geleitet wird. Zum Vergleich wurde Bildmaterial verwendet, das mit dem NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble, mit NASAs Röntgensatelliten Chandra und am Cerro Tololo Inter-American Observatory gewonnen wurde.

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Abbildung 2: Bild der Spiralgalaxie NGC 253. Das kleinere Falschfarbenbild zeigt die Zentralregion der Galaxie und fasst eine Vielzahl von Informationen zusammen, die aus astronomischen Beobachtungen der Galaxie NGC 253 gewonnen wurden. In blau ist Röntgenstrahlung zu sehen, die von sehr heißem Plasma abgestrahlt wird. Dieses Plasma wird aus den Gebieten mit hoher Sternbildungs-Aktivität (Starburst) in der Zentralregion von NGC 253 ausgestoßen. Für Wasserstoffatome charakteristisches Licht (genauer: das Licht, das bei der Rekombination von Wasserstoffionen frei wird) ist gelb dargestellt.

 
Es zeigt sowohl die Plasmaströmung als auch diejenigen Gebiete im Zentrum und den Spiralarmen, in denen derzeit gerade neue Sterne entstehen. Die weißen Konturlinien stellen die Strahlung des molekularen Gases dar, die ALMA beobachtet hat. Dieses Gas ist zum einen im Zentrum konzentriert – als Rohmaterial für den Starburst. Den entscheidenden Hinweis gibt das Vorhandensein von molekularem Gas an den Rändern der Gasströmung (dessen Röntgenstrahlung blau dargestellt ist). Offenbar lässt die Starburst-Aktivität große Mengen von molekularem Gas ausströmen. Dieses Gas steht für die Entstehung neuer Sterne dann erst einmal nicht mehr zur Verfügung.

Bild: A. Bolatto (University of Maryland).
Hintergrundbild: 2MASS / UMass / IPAC-Caltech / NASA / NSF.
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Abbildung 3: Antennen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ALMA, eines Verbundteleskops auf der Chajnantor-Hochebene in den chilenischen Anden. Die Beobachtungen von Bolatto und seinen Kollegen nutzten eine reduzierte Version von ALMA, bei der 16 Antennen so zusammengeschaltet wurden, dass sie wie ein einziges Teleskop agierten. Letztlich werden bei ALMA 66 Antennen zusammengeschaltet werden.

Bild: ESO / C. Malin
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Bildmaterial

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