Astronomen kartographieren die "chemische DNS" von über 340 000 Sternen auf der Suche nach deren verloren geglaubten Geschwistern

18. April 2018

Das "Galactic Archaeology with HERMES" (Galaktische Archaeologie mit HERMES, kurz GALAH) -Konsortium veröffentlicht heute seinen zweiten Datenkatalog (DR2), der die detaillierte chemische Zusammensetzung sowie Radialgeschwindigkeiten (die Bewegung der Sterne bezogen auf die Erde) von über 340000 hellen Sternen des Südhimmels beinhaltet. Das Max-Planck-Institut für Astronomie spielte eine Schlüsselrolle in der schwierigen Analyse dieses beispiellosen Datensatzes. In Zusammenarbeit mit einer Vielzahl australischer Universitäten und dem Australischen Astronomischen Observatorium wurde der zweite Datenkatalog federführend durch den MPIA Doktoranden Sven Buder erarbeitet.

Normalisierte Dichteverteilung der von GALAH beobachteten 340.000 Sterne. Weiße Regionen sind Bereiche, in denen das Surveyteam keine Sterne beobachtet hat, weil sie entweder zu nah an der galaktischen Ebene (mit Höhen z über der Ebene nahe 0) oder zu weit entfernt sind.Das obere Diagramm zeigt den galakto-zentrischen Radius (R) und die Höhe über der galaktischen Ebene (z) mit der Sonne bei (8,0).Das untere Feld zeigt den Abstand von der Sonne (bei 0,0) in galaktischen Koordinaten (x,y), wobei das galaktische Zentrum bei x=8 liegt. — Normalisierte Dichteverteilung der von GALAH beobachteten 340.000 Sterne. Weiße Regionen sind Bereiche, in denen das Surveyteam keine Sterne beobachtet hat, weil sie entweder zu nah an der galaktischen Ebene (mit Höhen z über der Ebene nahe 0) oder zu weit entfernt sind. Das obere Diagramm zeigt den galakto-zentrischen Radius (R) und die Höhe über der galaktischen Ebene (z) mit der Sonne bei (8,0). Das untere Feld zeigt den Abstand von der Sonne (bei 0,0) in galaktischen Koordinaten (x,y), wobei das galaktische Zentrum bei x=8 liegt.

© Buder et. al./MPIA

Normalisierte Dichteverteilung der von GALAH beobachteten 340.000 Sterne. Weiße Regionen sind Bereiche, in denen das Surveyteam keine Sterne beobachtet hat, weil sie entweder zu nah an der galaktischen Ebene (mit Höhen z über der Ebene nahe 0) oder zu weit entfernt sind.
Das obere Diagramm zeigt den galakto-zentrischen Radius (R) und die Höhe über der galaktischen Ebene (z) mit der Sonne bei (8,0).
Das untere Feld zeigt den Abstand von der Sonne (bei 0,0) in galaktischen Koordinaten (x,y), wobei das galaktische Zentrum bei x=8 liegt.

© Buder et. al./MPIA

Moderne Spektroskopie zerlegt das Licht eines Sterns nicht nur entlang der Wellenlänge in seine Farben, wie wir sie von einem Regenbogen kennen. Dank der hohen Auflösung werden darüber hinaus eine Vielzahl von dunklen Absorptionslinien im Sternenlicht erkennbar. Diese Linien entstehen durch Elemente und Moleküle in der Sternatmosphäre und sind somit Fingerabdrücke der einzigartigen chemischen Zusammensetzung der Sterne, die bei der Geburt eingeprägt und über die kosmische Zeit konserviert werden. Wenn diese Linien präzise für eine sehr große Zahl von Sternen gemessen werden, können Astronomen sie nutzen, um das Rätsel der Entstehungsgeschichte unserer Milchstraße zu entschlüsseln - vom sehr frühen Universum bis hin zum heutigen Tag. GALAH versucht dabei die Geburtsorte der Sterne mittels der hoch-präzisen, multi-dimensionalen Methode des "chemical tagging" (der chemischen Markierung) zu bestimmen; ein ambitioniertes Ziel, das entscheidend von der Kenntnis der heutigen Sternpositionen und -bewegungen profitiert, welche bald durch den Gaia Satelliten bereit gestellt werden.

Um Spektren in einer so großen Zahl zu beobachten, nutzt GALAH Australiens größtes optisches Teleskop, das 3.9 Meter ATT, und seinen Spektrographen HERMES, der im sogenannten Multiplexverfahren bis zu 360 Sterne gleichzeitig beobachten kann. HERMES wurde durch das Australische Astronomische Observatorium speziell entwickelt, um mit seinen vier separaten Wellenlängebereichen möglichst viele chemische Elemente beobachten zu können. Im Rahmen von Ausschreibungen für kostbare Beobachtungszeit wurden dem Konsortium seit Ende 2013 mehr als 300 Nächte zugestanden und das Team wird auch in Zukunft weitere Beobachtungen durchführen.

Dichteverteilung der im GALAH Data Release 2 enthaltenen Elementhäufigkeiten im Vergleich zur Eisenhäufigkeit [Fe/H]. Unter diesen 22 Elementen sind die meisten Trends einzigartig. Forscher können diese unterschiedlichen Muster nutzen, um die Geschichte der galaktischen chemischen Entwicklung und der Sterne, welche die gleiche chemische Zusammensetzung haben, zurückzuverfolgen. Letzteres ist ein starker Indikator dafür, dass diese Sterne zusammen geboren wurden und stellare Geschwister sind.

© Buder et. al./MPIA

Dichteverteilung der im GALAH Data Release 2 enthaltenen Elementhäufigkeiten im Vergleich zur Eisenhäufigkeit [Fe/H]. Unter diesen 22 Elementen sind die meisten Trends einzigartig. Forscher können diese unterschiedlichen Muster nutzen, um die Geschichte der galaktischen chemischen Entwicklung und der Sterne, welche die gleiche chemische Zusammensetzung haben, zurückzuverfolgen. Letzteres ist ein starker Indikator dafür, dass diese Sterne zusammen geboren wurden und stellare Geschwister sind.

© Buder et. al./MPIA

Aus den beobachteten Spektren muss anhand der Stärke einer stellaren Absorptionslinie die Elementhäufigkeit hergeleitet werden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr komplex und benötigt modernste Berechnungen der Sternatmosphäre, inklusive des Strahlungstransfers außerhalb des thermo-dynamischen Gleichgewichts - eine Spezialität der MPIA Forschungsgruppe "Stellarphysik und die Entwicklung chemischer Elemente" und insbesondere deren GALAH-Mitgliedern Karin Lind (Gruppenleiterin), Anish Amarsi (PostDoc), und Xudong Gao (Doktorand). Ausgerüstet mit modernsten Spektralanalysetechniken prüfte das Forscherteam mit Sven Buder in der ersten Reihe zuerst sorgfältig Spektren tausender Sterne individuell und bestimmte deren chemische Zusammensetzung. Die Informationen dieser wenigen tausend repräsentativen Spektren wurden dann mittels des datengesteuerten Programmes "The Cannon", das ebenfalls am MPIA von der ehemaligen Postdoktorandin Melisse Ness entwickelt wurde, auf alle 340000 Sterne übertragen.

Weitere Informationen:

Hauptpressemitteilung (engl.) des Australian Astronomical Observatory:
https://www.aao.gov.au/news-media/media-releases/340000-stars'-dna-interrogated-search-sun's-lost-siblings

Zugehörige wissenschaftliche Publikation (engl.): Buder et al. (2018a)
The GALAH Survey: Second Data Release
https://arxiv.org/abs/1804.06041(Further papers are listet in the major press release)

Link zur MPIA Arbeitsgruppe:
http://www.mpia.de/gc-stellar-physics