Kartographierung  des nahen Universums enthüllt Vielfalt der sternbildenden Galaxien

Studie zeigt, dass Aufbau und Lebenszyklus von Sternentstehungswolken vom Standort abhängig sind

8. Juni 2021
Ein Team von Astronominnen und Astronomen hat mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) die erste Durchmusterung von Molekülwolken im nahen Universum abgeschlossen und dabei herausgefunden, dass diese Kinderstuben der Sternbildung entgegen der bisherigen wissenschaftlichen Meinung nicht alle gleich aussehen und sich nicht gleich verhalten. Tatsächlich sind sie so vielfältig wie die Menschen, Häuser, Wohnviertel und Regionen in unserer eigenen Welt.

Sterne entstehen aus Staub- und Gaswolken, die als Molekülwolken oder stellare Kinderzimmer bezeichnet werden. Jede stellare Kinderstube im Universum kann während ihrer Lebensdauer Tausende oder sogar Zehntausende neuer Sterne bilden. Zwischen 2013 und 2019 führten Astronominnen und Astronomen im Rahmen des PHANGS-Projekts (PHANGS steht für „Physics at High Angular Resolution in Nearby GalaxieS“ – Physik bei hohen Auflösungen in nahen Galaxien)  die erste systematische Durchmusterung von 100.000 solcher stellaren Kreißsäle in 90 Galaxien  im nahen Universum durch, um besser zu verstehen, wie sie mit ihren Muttergalaxien verbunden sind.

Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Durchmusterung von fast 100 Galaxien im nahen Universum durchgeführt, die ihr Verhalten und ihre Erscheinungen zeigt. Die Forschenden verglichen die ALMA-Daten mit denen des Hubble-Weltraumteleskops, die hier in einer Zusammenstellung gezeigt werden. Die Untersuchung ergab, dass entgegen der landläufigen wissenschaftlichen Meinung nicht alle sternbildenden Molekülwolken gleich aussehen und sich auch nicht gleich verhalten. Tatsächlich sind sie, wie hier gezeigt, so unterschiedlich wie die Wohngebiete, Städte, Regionen und Länder, aus denen unsere Welt besteht.

"Früher dachten wir, dass alle stellaren Kinderstuben in jeder Galaxie mehr oder weniger gleich aussehen müssen, aber diese Durchmusterung hat gezeigt, dass dies nicht der Fall ist und stellare Kinderstuben sich von Ort zu Ort unterscheiden", sagte Adam Leroy, außerordentlicher Professor für Astronomie an der Ohio State University (OSU), Hauptautor der Publikation, in der die PHANGS-ALMA-Durchmusterung vorgestellt wurde. „Dies ist das erste Mal, dass wir Bilder bei Millimeterwellenlängen von vielen nahen Galaxien aufgenommen haben, die die gleiche Schärfe und Qualität wie Bilder im sichtbaren Licht haben. Und während optische Bilder uns das Licht von Sternen zeigen, zeigen uns diese bahnbrechenden neuen Bilder die Molekülwolken, die diese Sterne bilden."

Die Forschenden verglichen diese Veränderungen mit der Art und Weise, wie Menschen, Häuser, Wohngebiete und Städte jeweils ähnliche Merkmale aufweisen, sich aber von Region zu Region und von Land zu Land verändern.

"Um zu verstehen, wie Sterne entstehen, müssen wir die Geburt eines einzelnen Sterns mit seinem Platz im Universum verbinden. Das ist so, als würde man eine Person mit ihrem Zuhause, ihrer Wohngegend, ihrer Stadt und ihrer Region in Verbindung bringen. Wenn eine Galaxie eine Stadt darstellt, dann ist die Nachbarschaft der Spiralarm, das Haus die sternbildende Einheit, und nahe gelegene Galaxien sind benachbarte Städte in der Region", erklärt Eva Schinnerer, Astronomin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und leitende Wissenschaftlerin der PHANGS-Kollaboration. "Diese Beobachtungen haben uns gelehrt, dass das „Wohnviertel" kleine, aber deutliche Auswirkungen darauf hat, wo und wie viele Sterne geboren werden."

Innerhalb der PHANGS-Durchmusterung wurde auch NGC 628 (=Messier 74) untersucht - eine Galaxie mit reiner Spiralstruktur. NGC0628 ist hier als ALMA-Komposit (orange/rot) mit Hubble Space Telescope (HST)-Daten dargestellt.

Um ein besseres Verständnis der Sternentstehung in verschiedenen Galaxientypen zu erlangen, beobachtete das Team Ähnlichkeiten und Unterschiede in den molekularen Gaseigenschaften und Sternentstehungsprozessen von Galaxienscheiben, stellaren Balkenstrukturen, Spiralarmen und Galaxienzentren. Sie bestätigten, dass Lage oder Nachbarschaft eine entscheidende Rolle bei der Sternentstehung spielen. "Indem wir verschiedene Arten von Galaxien und die unterschiedlichen Umgebungen innerhalb von Galaxien kartieren, verfolgen wir die ganze Bandbreite der Bedingungen, unter denen sternbildende Gaswolken im heutigen Universum existieren. So können wir den Einfluss vieler verschiedener Variablen auf die Art und Weise der Sternentstehung messen", sagt Guillermo Blanc, Astronom an der Carnegie Institution for Science und Mitautor der Studie.

Annie Hughes, Astronomin am L'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) und ebenfalls Koautorin, fügte hinzu, dass dies das erste Mal ist, dass Wissenschaftler eine Momentaufnahme davon haben, wie Sternentstehungswolken in einem so breiten Spektrum verschiedener Galaxien wirklich sind. "Wir fanden heraus, dass die Eigenschaften von Sternentstehungswolken davon abhängen, wo sie sich befinden: Wolken in den dichten Zentralregionen von Galaxien sind tendenziell massereicher, dichter und turbulenter als Wolken, die sich in den ruhigen Außenbezirken einer Galaxie befinden. Auch der Lebenszyklus von Wolken hängt von ihrer Umgebung ab. Wie schnell eine Wolke Sterne bildet und der Prozess, der die Wolke schließlich zerstört, scheinen beide davon abzuhängen, wo sich die Wolke befindet."

Ein anderes Objekt, welches im Rahmen von PHANGS untersucht wurde, ist NGC 1385, eine Galaxie, die eine "flockige" Scheibenmorphologie aufweist. Die Untersuchung ergab, dass entgegen der akzeptierten wissenschaftlichen Theorie nicht alle stellaren Kinderstuben gleich aussehen oder sich gleich verhalten. NG1385 ist hier als ALMA (orange/rot) Komposit mit Hubble Space Telescope (HST) Daten dargestellt.

Dies ist nicht das erste Mal, dass Molekülwolken in anderen Galaxien mit ALMA beobachtet wurden, aber fast alle bisherigen Studien konzentrierten sich auf eine einzelne Galaxie oder einen Teil einer einzelnen Galaxie. Über einen Zeitraum von fünf Jahren hat PHANGS nun ein vollständiges Bild der nahen Galaxienpopulation zusammengestellt.

"Das PHANGS-Projekt ist eine neue Form der kosmischen Kartographie  die es uns erlaubt, die Vielfalt der Galaxien buchstäblich in einem neuen Licht zu sehen. Wir sehen endlich die Vielfalt des sternbildenden Gases über viele Galaxien hinweg und sind in der Lage zu verstehen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändern. Vor ALMA war es unmöglich, diese detaillierten Karten zu erstellen", sagt Erik Rosolowsky, außerordentlicher Professor für Physik an der University of Alberta und Mitautor der Forschungsarbeit. "Dieser neue Atlas enthält 90 der besten Karten, die jemals erstellt wurden und die zeigen, wo sich die nächste Generation von Sternen bilden wird."

Für das Team bedeutet der neue Atlas nicht das Ende des Weges. Während die Durchmusterung Fragen über das Was und Wo beantwortet hat, hat sie andere Fragen aufgeworfen. "Dies ist das erste Mal, dass wir einen klaren Überblick über die Population der Molekülwolken im gesamten nahen Universum erhalten haben. In diesem Sinne ist es ein großer Schritt, um zu verstehen, woher wir kommen", sagt Leroy. "Aber während wir jetzt wissen, dass stellare Kinderstuben von Ort zu Ort variieren, wissen wir immer noch nicht, warum oder wie diese Variationen die Sterne und Planeten beeinflussen, die entstehen. Das sind Fragen, die wir hoffentlich in naher Zukunft beantworten können."

Zehn Arbeiten, die die Ergebnisse der PHANGS-Durchmusterung detailliert beschreiben, werden diese Woche auf der 238. Tagung der American Astronomical Society vorgestellt.

Über ALMA

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist ein internationales Observatiorium  und eine Partnerschaft der Europäischen Südsternwarte (ESO), der U.S. National Science Foundation (NSF) und der National Institutes of Natural Sciences (NINS) von Japan in Zusammenarbeit mit der Republik Chile.  ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsstaaten, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem Ministry of Science and Technology (MOST) und vom NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) finanziert.

Bau und Betrieb von ALMA werden von der ESO im Auftrag ihrer Mitgliedsstaaten geleitet; vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO), von der Associated Universities, Inc. (AUI) für Nordamerika und dem National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für Ostasien. Das Joint ALMA Observatory (JAO) übernimmt die einheitliche Leitung und das Management von Bau, Inbetriebnahme und Betrieb von ALMA.

Hinweis: Dies ist eine leicht angepasste deutsche Version der englischsprachigen Original-Pressemitteilung.
Englische Version auf der MPIA-Webseite
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