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Big Data schreibt (galaktische) Geschichte: Die erste globale Alterskarte unserer Milchstraße

8. Januar 2016

Dank neuer Verfahren, das Alter Roter Riesensterne zu bestimmen, haben Astronomen erstmals auf großen Skalen die Altersstruktur unserer Milchstraße kartiert. Dazu bestimmten sie das Alter von fast 100 000 Roten Riesen in Abständen von bis zu 50 000 Lichtjahren vom galaktischen Zentrum. So konnten die Astronomen unter der Leitung von Melissa Ness und Marie Martig vom Max-Planck-Institut für Astronomie außerdem wichtige Teile des heutigen Verständnisses unserer Heimatgalaxie testen. Insbesondere bestätigt die Karte, dass unsere Heimatgalaxie von innen nach außen gewachsen ist und sich daher heute die meisten alten Sterne in den inneren Regionen befinden.
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Abbildung 1: Altersverteilung für Rote Riesensterne quer durch unsere Milchstraße, wie sie Melissa Ness und ihre Kollegen erstellt haben. Die Stichprobe ist hier in eine Simulation einer milchstraßenartigen Galaxie eingebettet. Die unterschiedlichen Farben der Stichproben-Pixel zeigen die unterschiedlichen Sternalter an: rot für die ältesten Sterne, grün für Sterne mittleren Alters und blau für die jüngsten Sterne. Die Altersverteilung, einschließlich der deutlich sichtbaren Konzentration älterer Sterne hin zum galaktischen Zentrum, bestätigt die Aussagen der heutigen Modelle für die Entwicklung unserer Milchstraße. Bild vergrößern
Abbildung 1: Altersverteilung für Rote Riesensterne quer durch unsere Milchstraße, wie sie Melissa Ness und ihre Kollegen erstellt haben. Die Stichprobe ist hier in eine Simulation einer milchstraßenartigen Galaxie eingebettet. Die unterschiedlichen Farben der Stichproben-Pixel zeigen die unterschiedlichen Sternalter an: rot für die ältesten Sterne, grün für Sterne mittleren Alters und blau für die jüngsten Sterne. Die Altersverteilung, einschließlich der deutlich sichtbaren Konzentration älterer Sterne hin zum galaktischen Zentrum, bestätigt die Aussagen der heutigen Modelle für die Entwicklung unserer Milchstraße.

In den vergangenen Jahrzehnten haben umfangreiche Durchmusterungen den Astronomen Daten über Millionen astronomischer Objekte beschert, so dass groß angelegte Auswertungen nie vorher gekannten Ausmaßes möglich werden. Aber solche Auswertungen sind immer nur so gut wie die Werkzeuge, die dafür zur Verfügung stehen. Nun haben Melissa Ness und Marie Martig vom Max-Planck-Institut für Astronomie dem astronomischen Werkzeugkasten zwei wichtige Ergänzungen hinzugefügt: Mithilfe von Daten der APOGEE-Durchmusterung (Teil des Sloan Digital Sky Survey) und des NASA-Weltraumteleskops Kepler entwickelten Ness und Martig zwei voneinander unabhängige Methoden, das Alter von Roten Riesensternen direkt aus deren Spektren (also aus den Eigenschaften des Sternenlichts) zu bestimmen.

Damit konnten die Astronomen für fast 100 000 Rote Riesen, die mit der APOGEE-Durchmusterung beobachtet worden waren, das Alter bestimmen und so eine ganz neuartige Karte unserer Milchstraße erstellen: eine Altersverteilung die zeigt, wo in unserer Heimatgalaxie sich die alten, mittelalten oder jungen Sterne befinden (siehe Abbildung 1). Die Karte stellt dabei einen repräsentativen Querschnitt durch die wichtigsten galaktischen Regionen vom Zentrum bis zu den 65 000 Lichtjahre vom Zentrum entfernten Außenbezirken dar.

Mit einer Alterskarte dieser Art lassen sich Entwicklungsmodelle für unsere Heimatgalaxie testen. Solche Modelle sagen beispielsweise vorher, dass die Sternscheiben, die in Galaxien wie unserer Milchstraße den Großteil der Sterne beherbergen, sich von innen nach außen gebildet haben, sprich: von einer vergleichsweise kleinen Scheibe aus immer weiter nach außen gewachsen sind. Demnach würde man nahe dem galaktischen Zentrum ältere und nach außen hin immer jüngere Sterne erwarten. Die Karte bestätigt genau diese Verteilung.

Die Modelle sagen außerdem, dass bei festem Abstand vom galaktischen Zentrum in der Scheibenebene eher jüngere, entfernt davon eher ältere Sterne zu finden sein sollten. Auch das bestätigt die Karte von Ness und Kollegen.

Sobald die Ergebnisse derzeit laufender Durchmusterungen wie APOGEE-2 oder der Arbeit des ESA-Satelliten Gaia abgeschlossen ist, versprechen die von Ness und Martig entwickelten Methoden noch deutlich weiterreichende Ergebnisse. Dann dürften sich Astronomen daran machen, die Sternentstehungs-Geschichte unserer Milchstraße insgesamt zu rekonstruieren: wie viele Sterne in den verschiedenen Epochen unserer galaktischen Geschichte entstanden sind, in welchen Regionen dies stattfand, und wie die Sterne das Rohmaterial unserer Heimatgalaxie durch die in ihnen entstehenden schwereren chemischen Elemente verändert haben. Solche Veränderungen und das Vorhandensein schwererer Elemente sind Voraussetzung für die Entstehung von Planeten und letztlich auch von Lebewesen.

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Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind veröffentlicht in Ness et al. The Cannon: A Data-driven Approach to Stellar Label Determination (veröffentlicht im Astrophysical Journal), Spectroscopic determination of masses (and implied ages) for red giants (Vorabdruck, beim Astrophysical Journal eingereicht) und Martig et al. Red giant masses and ages derived from carbon and nitrogen abundances (zur Veröffentlichung akzeptiert bei MNRAS).

Melissa Ness wird ihre Ergebnisse auf dieser Pressekonferenz bei der Jahrestagung der American Astronomical Society am Freitag, 8. Januar, nach 10:15 am Ortszeit (16:15 MEZ) vorstellen. Die Pressekonferenz wird hier als Webcast übertragen. Für Zugang zum Webcast .

Eine ausführliche Beschreibung der Ergebnisse und Hintergründe finden Sie hier.

Die entsprechende Pressemitteilung des SDSS finden Sie hier.

Von Seiten des Max-Planck-Instituts für Astronomie waren an der beschriebenen Forschung beteiligt

Melissa Ness, Marie Martig, Hans-Walter Rix, David Hogg (auch: New York University),  Morgan Fouesneau und Anna Y.Q. Ho  (auch: Caltech)

in Zusammenarbeit mit

Marc H. Pinsonneault (Ohio State University), Szabolcs Mészáros (ELTE Gothard Astrophysical Observatory, Hungary), D. A. García-Hernández and Olga Zamora (both Instituto de Astrofísica de Canarias und Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna), Aldo Serenelli (Instituto de Ciencias del Espacio (ICE/CSIC-IEEC) Campus UAB) und Victor Silva Aguirre (Aarhus University)

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Weitere Bilder und Downloads

Abbildung 2: Beziehung zwischen den Häufigkeiten bestimmter chemischer Elemente in Sternatmosphären (die mithilfe von Spektroskopie nachgewiesen werden können) und der Sternmasse für Rote Riesensterne mit bekannten Massen und Spektren in der APOKASC-Stichprobe. Auf der waagerechten Achse ist die Häufigkeit von Metallen (das sind in der Astronomie alle Elemente schwerer als Helium) im Vergleich zum Wasserstoff aufgetragen, auf der senkrechten Achse die relativen Häufigkeiten von Kohlenstoff C und Stickstoff N. Die Pixelfarben zeigen das mittlere Alter der Sterne im betreffenden Bereich des Diagramms an. Bild vergrößern
Abbildung 2: Beziehung zwischen den Häufigkeiten bestimmter chemischer Elemente in Sternatmosphären (die mithilfe von Spektroskopie nachgewiesen werden können) und der Sternmasse für Rote Riesensterne mit bekannten Massen und Spektren in der APOKASC-Stichprobe. Auf der waagerechten Achse ist die Häufigkeit von Metallen (das sind in der Astronomie alle Elemente schwerer als Helium) im Vergleich zum Wasserstoff aufgetragen, auf der senkrechten Achse die relativen Häufigkeiten von Kohlenstoff C und Stickstoff N. Die Pixelfarben zeigen das mittlere Alter der Sterne im betreffenden Bereich des Diagramms an. [weniger]
<p>Abbildung 3: Beispiele f&uuml;r die Unterschiede in den Spektren Roter Riesensterne in Abh&auml;ngigkeit von der Sternmasse. Die hier eingezeichneten Unterschiede ergeben sich aus dem flexiblen statistischen Modell, das Ness et al. mit <em>The Cannon </em>erstellten. Zu sehen ist der Unterschied zwischen einem Roten Riesen mit 0.7 Sonnenmassen und einem mit 3.3 Sonnenmassen. Aus Unterschieden dieser Art schlie&szlig;en Ness et al. auf die Massen der beobachteten Roten Riesen.</p> Bild vergrößern

Abbildung 3: Beispiele für die Unterschiede in den Spektren Roter Riesensterne in Abhängigkeit von der Sternmasse. Die hier eingezeichneten Unterschiede ergeben sich aus dem flexiblen statistischen Modell, das Ness et al. mit The Cannon erstellten. Zu sehen ist der Unterschied zwischen einem Roten Riesen mit 0.7 Sonnenmassen und einem mit 3.3 Sonnenmassen. Aus Unterschieden dieser Art schließen Ness et al. auf die Massen der beobachteten Roten Riesen.

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<p>Abbildung 4: Altersverteilung f&uuml;r eine Stichprobe von Roten Riesensternen in unterschiedlichen Abst&auml;nden vom galaktischen Zentrum bis hin zu den Randgebieten unserer Milchstra&szlig;e. Die waagerechte Achse zeigt die Abst&auml;nde vom galaktischen Zentrum, die senkrechte Achse die Entfernung des Sterns von der galaktischen Scheibenebene (nicht ma&szlig;stabsgetreu). Die Farbgebung der Pixel zeigt das durchschnittliche Alter der Roten Riesen an, die Ness et al. in der betreffenden Region im Diagramm beobachtet haben. Deutlich sichtbar ist, dass junge Sterne insbesondere nahe der Scheibenebene vorkommen. Auch die Altersverteilung, die anzeigt, dass die Scheibe unserer Milchstra&szlig;e von innen nach au&szlig;en gewachsen ist und das mit der Zeit immer mehr Sterne in immer weiter au&szlig;en liegenden Regionen hinzugekommen sind ist gut zu sehen.</p> Bild vergrößern

Abbildung 4: Altersverteilung für eine Stichprobe von Roten Riesensternen in unterschiedlichen Abständen vom galaktischen Zentrum bis hin zu den Randgebieten unserer Milchstraße. Die waagerechte Achse zeigt die Abstände vom galaktischen Zentrum, die senkrechte Achse die Entfernung des Sterns von der galaktischen Scheibenebene (nicht maßstabsgetreu). Die Farbgebung der Pixel zeigt das durchschnittliche Alter der Roten Riesen an, die Ness et al. in der betreffenden Region im Diagramm beobachtet haben. Deutlich sichtbar ist, dass junge Sterne insbesondere nahe der Scheibenebene vorkommen. Auch die Altersverteilung, die anzeigt, dass die Scheibe unserer Milchstraße von innen nach außen gewachsen ist und das mit der Zeit immer mehr Sterne in immer weiter außen liegenden Regionen hinzugekommen sind ist gut zu sehen.

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