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Mit Radiowellen den Sternentstehungsraten von Galaxien auf der Spur

21. Februar 2017

Einige Galaxien produzieren größere Mengen neuer Sterne während andere deutlich weniger produktiv sind. Jetzt hat ein Astronomenteam unter der Leitung von Fatemeh Tabatabaei (Instituto de Astrofísica de Canarias) ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Sternentstehungsrate ferner Galaxien mithilfe von Radiobeobachtungen messen lässt. Die Forscher nutzten dazu einen Datensatz von 52 nahen Spiralgalaxien, die zusätzlich mit dem 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg bei verschiedenen Wellenlängen beobachtet wurden. Die Sternentstehungsrate ist eine Schlüsseleigenschaft einer Galaxie, und Veränderungen der durchschnittlichen Sternentstehungsrate sind ein wichtiger Aspekt der Entwicklung unseres Universums als Ganzes.
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Die Galaxie NGC 6946. Im Hintergrund ein Bild im sichtbaren Licht, darüber falschfarben in rot: Radiostrahlung im 3-cm-Band zeigt Gebiete mit aktiver Sternentstehung an. Bild vergrößern
Die Galaxie NGC 6946. Im Hintergrund ein Bild im sichtbaren Licht, darüber falschfarben in rot: Radiostrahlung im 3-cm-Band zeigt Gebiete mit aktiver Sternentstehung an. [weniger]

Gemessen an unseren alltäglichen Zeitvorstellungen erscheinen uns die Sterne unveränderlich und unvergänglich. Aber auf längeren Zeitskalen können Sterne sowohl vergehen als auch neu entstehen. Tatsächlich ist die Sternentstehungsrate – also die Menge an Sternen, die pro Zeiteinheit neu entstehen, üblicherweise ausgedrückt in Vielfachen der Sonnenmasse pro Jahr – eine der interessantesten Eigenschaften einer Galaxie. Ein besseres Verständnis der Art und Weise zu erlangen, wie sich die Sternenstehungsraten über die vergangenen Milliarden von Jahren verändert haben ist eine der zentralen Herausforderungen für Astronomen, die sich mit der Geschichte unseres Universums auf großen Skalen befassen.

Ohne Daten kein physikalisches Verständnis. Aber Sternentstehungsraten sind nicht leicht zu messen – insbesondere da Sterne tief im Inneren von Gas- und Staubwolken entstehen und damit den Blicken herkömmlicher Teleskope verborgen sind. Die meisten herkömmlichen Messungen von Sternentstehungsraten nutzen Beobachtungen im sichtbaren und Ultraviolettlicht, kombiniert mit Infrarotbeobachtungen; durch letztere lässt sich abschätzen, wie groß der Anteil an Licht ist, der vom Staub verschluckt wird. Allerdings gibt es nach wie vor Unsicherheiten bei den Verfahren, die Sternentstehungsrate aus solchen Messungen abzuleiten. Insbesondere wird einiges des dafür genutzten Infrarotlichts ferner Galaxien möglicherweise gar nicht durch junge Sterne erzeugt, die den umgebenden Staub aufheizen, sondern auf andere Weise.

Jetzt hat eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Fatemeh Tabatabaei (Instituto de Astrofísica de Canarias), zu der auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie gehören, ein neues Verfahren entwickelt, Sternentstehungsraten mithilfe von Radiobeobachtungen zu bestimmen – zuverlässig und insbesondere so, dass auch die Entstehung massereicher junger Sterne erfasst wird.

Sternentstehung im Radio

Das Projekt ging aus einer Idee von Eva Schinnerer (Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA]) und Eric Murphy (National Radio Astronomy Observatory) hervor, wie sich Sternentstehungsraten ferner Galaxien genauer messen lassen sollten. Ausgangspunkt war die KINGFISH-Stichprobe von Galaxien, die mit dem Weltraumteleskop Herschel der ESA beobachtet worden waren. Die Sternentstehungsrate der 61 KINGFISH-Galaxien wurde dabei aus der Kombination der Infrarotbeobachtungen von Herschel mit Beobachtungen im sichtbaren und im Ultraviolettlicht bestimmt. Wie würden dieselben Galaxien bei einer Radiobeobachtung aussehen? Und würden die Radiobilder Informationen über die Sternentstehungsraten enthalten?

Um das herauszufinden, beantragte Schinnerer Zeit am 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg in der Nähe von Bonn. Eine entsprechende Beobachtungskampagne unter der Leitung von Marita Krause vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) lieferte Radiodaten für diejenigen 52 der KINGFISH-Galaxien, die vom Standort Effelsberg auf der Nordhalbkugel aus beobachtet werden können.

Tabatabaei, zu jenem Zeitpunkt Postdoktorandin am MPIA, untersuchte anschließend die Eigenschaften und Quellen der Radiostrahlung jeder der Galaxien. Sie fand, dass Strahlung in einem bestimmten Frequenzbereich, dem mittleren Radio-Kontinuum (mid-radio continuum, MRC) zwischen 1 und 10 Gigahertz, direkt mit der Entstehung massereicher junger Sterne zusammenhängt. Ein Teil der Strahlung entsteht, wenn junge Sterne den sie umgebenden Staub aufheizen. Ein anderer Anteil entsteht, wenn besonders massereiche junge Sterne schon kurz nach ihrer Geburt in einer Supernova explodieren – und so paradoxerweise durch ihren Tod anzeigen, dass kurz zuvor eine Sternengeburt stattgefunden hat. Insgesamt kann diese Strahlung genutzt werden, um die Entstehung massereicher Sterne in Galaxien bis zu einer Entfernung von rund 100 Millionen Lichtjahren nachzuweisen.

Die neue Methode hat weitreichende Konsequenzen. Mithilfe sogenannter Radiointerferometer lassen sich auf diese Weise weit detailliertere Karten von Sternentstehungsgebieten anfertigen als je zuvor. Die Radiowellen durchqueren Staub so gut wie ungehindert, so dass keine der neu entstehenden Sterne verborgen bleiben. Dass die Methode Strahlung von zwei unterschiedlichen Stadien der Sternentstehung nutzt erlaubt robustere Abschätzungen der Entstehungsraten. Und der Umstand, dass nur eine Art von Beobachtung benötigt wird, nämlich Radiobeobachtungen in einem bestimmten Frequenzbereich, macht es einfacher, solche Messungen durchzuführen.

Insgesamt ist es mit dem neuen Verfahren einfacher und weniger aufwändig geworden, Sternentstehungsraten in Galaxien zu messen. Das verspricht für die Zukunft vollständigere und tiefere Durchmusterungen mithilfe von Radioteleskopen zur Bestimmung der Sternentstehungsraten und ihrer Veränderung im Laufe der kosmischen Evolution.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind erschienen als F.S. Tabatabaei et al. 2017, "The radio spectral energy distribution and star formation rate calibration in galaxies" im Astrophysical Journal.

Die beteiligten Astronomen sind F.S. Tabatabaei (Instituto de Astrofisica de Canarias, Universidad de La Laguna und Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA]), E. Schinnerer (MPIA), M. Krause (Max-Planck-Institut für Radioastronomie [MPIfR]), G. Dumas, S. Meidt (beide MPIA), A. Damas-Segovia, R. Beck (beide MPIfR), E.J. Murphy (NRAO), D.D. Mulcahy (University of Manchester), B. Groves (Australian National University), A. Bolatto (University of Maryland), D. Dale (University of Wyoming), M. Galametz (ESO), K. Sandstrom (University of California, San Diego), M. Boquien (Universidad de Antofagasta), D. Calzetti (University of Massachussetts at Amhurst), R.C. Kennicutt (University of Cambridge), L.K. Hunt (INAF–Osservatorio Astrofisico di Arcetri), I. de Looze (University College London) und E.W. Pellegrini (Universität Heidelberg).

Fatemeh Tabatabaei begann bereits als Teil ihrer Doktorarbeit am MPIfR, die Radio- und Infrarotstrahlung von Galaxien zu untersuchen, und setzte diese Arbeit als Postdoktorandin am MPIfR und am MPIA fort. Derzeit arbeitet sie als IAC-Fellow am Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC) auf Teneriffa.

KINGFISH (“Key Insights on Nearby Galaxies: a Far-Infrared Survey with Herschel”) ist eine Durchmusterung von 61 Galaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft. KINGFISHER (“KINGFISH galaxies Emitting in Radio”) umfasst diejenigen der Galaxien, die nördlicher stehen als Deklination -21 Grad. Für 17 dieser Galaxien lagen bereits geeignete Radiobeobachtungen mit dem 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg bei verschiedenen Frequenzen vor. Die restlichen 35 Galaxien wurden jetzt nachbeobachtet. Der kombinierte Datensatz mit 52 Galaxien kam bei der hier beschriebenen Studie zum Einsatz.

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