Sternentstehung in benachbarten Galaxien unter der Lupe

Neue hochauflösende Beobachtungen mit dem MUSE-Instrument der ESO ergänzen die Datensammlung des PHANGS-Projekts

16. Juli 2021

Ein Team von Astronomen, darunter Eva Schinnerer vom Max-Planck-Institut für Astronomie, hat neue Beobachtungen von nahen Galaxien veröffentlicht, die einem bunten kosmischen Feuerwerk gleichen. Die Bilder, die mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) aufgenommen wurden, zeigen verschiedene Komponenten der Galaxien in unterschiedlichen Farben. Dieser neue Datensatz ermöglicht es den Astronomen, die Positionen junger Sterne und das Gas, das sie umgibt, genau zu bestimmen. Durch die Kombination dieser neuen Beobachtungen mit Daten des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) trägt das Team dazu bei, aufzudecken, welcher Mechanismus das Gas zur Bildung von Sternen anregt.

Dieses Bild kombiniert Beobachtungen der nahen Galaxien NGC 1300, NGC 1087, NGC 3627 (oben, von links nach rechts), NGC 4254 und NGC 4303 (unten, von links nach rechts), die mit dem Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) am Very Large Telescope (VLT) der ESO aufgenommen wurden. Jedes einzelne Bild ist eine Kombination von Beobachtungen, die bei verschiedenen Wellenlängen des Lichts durchgeführt wurden, um stellare Populationen und warmes Gas abzubilden. Das goldene Leuchten entspricht hauptsächlich Wolken aus ionisiertem Wasserstoff-, Sauerstoff- und Schwefelgas, die das Vorhandensein von neu geborenen Sternen markieren, während die bläulichen Regionen im Hintergrund die Verteilung von etwas älteren Sternen zeigen.

Die Bilder wurden im Rahmen des PHANGS-Projekts (Physics at High Angular Resolution in Nearby GalaxieS) aufgenommen, das hochauflösende Beobachtungen naher Galaxien mit Teleskopen im gesamten elektromagnetischen Spektrum durchführt.

Zwar wissen Astronomen, dass Sterne in Gaswolken geboren werden, aber was die Sternentstehung auslöst und wie Galaxien als Ganzes dabei mitspielen, bleibt ein Rätsel. Um diesen Prozess zu verstehen, hat ein Forscherteam verschiedene nahe gelegene Galaxien mit leistungsstarken boden- und weltraumgestützten Teleskopen beobachtet und die verschiedenen galaktischen Regionen, die an der Sternentstehung beteiligt sind, untersucht.

Zum ersten Mal lösen wir einzelne Sternentstehungsgebiete mit einer großen Vielfalt an Regionen und Umgebungen in einer Auswahl von Galaxien auf, die die verschiedenen Varianten gut repräsentiert“, sagt Eric Emsellem, Astronom an der ESO in Deutschland und der Universität Lyon, Frankreich. Er leitete die VLT-basierten Beobachtungen, die im Rahmen des PHANGS-Projekts (Physics at High Angular Resolution in Nearby GalaxieS) durchgeführt wurden. „Wir können das Gas, aus dem die Sterne entstehen, direkt beobachten. Wir sehen die jungen Sterne selbst, und wir werden Zeuge ihrer Entwicklung im Verlauf verschiedener Phasen.

Emsellem und sein Team haben nun ihren neuesten Satz von galaktischen Aufnahmen veröffentlicht, die mit dem Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) Instrument am VLT der ESO in der Atacama-Wüste in Chile aufgenommen wurden. Sie nutzten MUSE, um neugeborene Sterne und das warme Gas um sie herum aufzuspüren, das von den Sternen beleuchtet und aufgeheizt wird und als deutlicher Hinweis auf die fortschreitende Sternentstehung dient.

Dieses Bild, aufgenommen vom Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) am Very Large Telescope (VLT) der ESO, zeigt die nahe gelegene Galaxie NGC 4303. NGC 4303 ist eine Spiralgalaxie mit einem Balken aus Sternen und Gas in ihrem Zentrum und befindet sich etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Virgo. Das Bild ist eine Kombination von Beobachtungen, die bei verschiedenen Wellenlängen des Lichts durchgeführt wurden, um die Sternpopulationen und das warme Gas zu kartieren. Das goldene Leuchten entspricht hauptsächlich Wolken aus ionisiertem Wasserstoff-, Sauerstoff- und Schwefelgas, die das Vorhandensein von neu geborenen Sternen markieren, während die bläulichen Regionen im Hintergrund die Verteilung von etwas älteren Sternen zeigen.

Das Bild wurde im Rahmen des PHANGS-Projekts (Physics at High Angular Resolution in Nearby GalaxieS) aufgenommen, das hochauflösende Beobachtungen naher Galaxien mit Teleskopen im gesamten elektromagnetischen Spektrum durchführt.

Die PHANGS-Kollaboration unter der Leitung von Eva Schinnerer vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) kombiniert diese neuen Bilder mit Beobachtungen der gleichen Galaxien, die mit ALMA aufgenommen und Anfang dieses Jahres veröffentlicht wurden. ALMA, das sich ebenfalls in Chile befindet, ist besonders gut geeignet, um kalte Gaswolken zu kartieren, also diejenigen Objekte in Galaxien, die das Rohmaterial liefern, aus dem Sterne entstehen.

MUSE und ALMA ergänzen sich bei der Identifizierung und Untersuchung der Sternentstehungsgebiete im Inneren der beobachteten Galaxien. „Durch die Kombination von MUSE- und ALMA-Bildern können wir untersuchen, wie frühere Sterngenerationen den Prozess der Bildung einer neuen Sternenpopulation beeinflussen“, erläutert Ismael Pessa, Doktorand am MPIA, der im PHANGS-Projekt arbeitet. „Das hilft uns, besser zu verstehen, was die Geburt neuer Sterne auslöst, verstärkt oder bremst.“ Die resultierenden Bilder sind beeindruckend und bieten einen farbenfrohen Einblick in stellare Kinderstuben in unseren Nachbargalaxien.

Es gibt viele Rätsel, die wir entschlüsseln wollen“, sagt Kathryn Kreckel von der Universität Heidelberg in Deutschland und Mitarbeiterin im PHANGS-Team. „Werden Sterne häufiger in bestimmten Regionen ihrer Wirtsgalaxien geboren? Und falls ja, warum? Und nachdem Sterne geboren wurden, wie beeinflusst ihre Entwicklung die Bildung neuer Generationen von Sternen?

Diese Fragen können die Astronomen nun dank der Fülle an MUSE- und ALMA-Daten, die das PHANGS-Team gesammelt hat, beantworten. MUSE produziert für jede einzelne Position innerhalb seines Sichtfelds Spektren – die „Strichcodes“, die Astronomen scannen, um die Eigenschaften und die Charakteristik von kosmischen Objekten zu bestimmen – und liefert damit viel reichhaltigere Informationen als bisherige Instrumente. Für das PHANGS-Projekt beobachtete MUSE 30.000 Nebel aus warmem Gas und sammelte etwa 15 Millionen Spektren von verschiedenen galaktischen Regionen. Die ALMA-Beobachtungen wiederum ermöglichten es den Astronomen, etwa 100.000 kalte Gaswolken in 90 nahen Galaxien zu kartieren und so einen beispiellos detaillierten Atlas der stellaren Keimzellen im nahen Universum zu erstellen.

Dieses Bild der nahen Galaxie NGC 4254 wurde durch die Kombination von Beobachtungen mit dem Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) am Very Large Telescope (VLT) der ESO und mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, gewonnen. NGC 4254 ist eine Grand-Design-Spiralgalaxie mit deutlich ausgeprägten Spiralarmen, die sich etwa 45 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Coma Berenices befindet. Das Bild ist eine Kombination von Beobachtungen, die bei verschiedenen Wellenlängen des Lichts durchgeführt wurden, um die Sternpopulationen und das Gas zu kartieren. Die Beobachtungen von ALMA sind in bräunlich-orangen Tönen dargestellt und heben die Wolken aus kaltem molekularem Gas hervor, die das Rohmaterial liefern, aus dem Sterne entstehen. Die MUSE-Daten zeigen sich hauptsächlich in Gold- und Blautönen. Das helle goldene Leuchten kennzeichnet warme Wolken aus hauptsächlich ionisiertem Wasserstoff-, Sauerstoff- und Schwefelgas und markiert die Anwesenheit von neu geborenen Sternen, während die bläulichen Regionen die Verteilung von etwas älteren Sternen zeigen.

Das Bild wurde im Rahmen des PHANGS-Projekts (Physics at High Angular Resolution in Nearby GalaxieS) aufgenommen, das hochauflösende Beobachtungen von nahen Galaxien mit Teleskopen im gesamten elektromagnetischen Spektrum durchführt.

Neben ALMA und MUSE sind am PHANGS-Projekt auch Beobachtungen des NASA/ESA-Weltraumteleskops Hubble beteiligt. Die verschiedenen Observatorien wurden so ausgewählt, dass das Team unsere galaktischen Nachbarn bei unterschiedlichen Wellenlängen (sichtbar, nahes Infrarot und Radio) durchleuchten kann. Jeder Wellenlängenbereich betrachtet unterschiedliche Teile der beobachteten Galaxien. Ihre Kombination erlaubt es den Forschern, die verschiedenen Stadien der Sternentstehung zu untersuchen – von der Entstehung der stellaren Geburtsstätten über den Beginn der Sternentstehung selbst bis hin zu der Frage, wie die neu geborenen Sterne schließlich ihre Brutstätten zerstören.

PHANGS bietet zum ersten Mal die Möglichkeit, ein solch komplettes Bild zu entwickeln, indem es Bilder aufnimmt, die scharf genug sind, um die einzelnen Wolken, Sterne und Nebel sichtbarzu machen, die die Kreißsäle der Sterne darstellen. „Die scharfen MUSE-Bilder beispielsweise zeigen den Einfluss der neu entstehenden Sterne auf das sie umgebende Material. Ein solch genauer Blick hilft uns zu verstehen, wie Sterne ihre Umgebung beeinflussen, z.B. durch Sternwinde“, sagt Postdoktorand Francesco Santoro vom MPIA. Er fügt hinzu: „Wir wollen vor allem untersuchen, wie solche Wechselwirkungen zum Kreislauf des Gases im interstellaren Medium, dem Rohmaterial der Sterne, beitragen und wie sie zukünftige Generationen von Sternen beeinflussen.“

Die Arbeit des PHANGS-Projekts wird durch kommende Teleskope und Instrumente, wie das James Webb Space Telescope der NASA, weiter vertieft werden. Die so gewonnenen Daten werden eine weitere Grundlage für Beobachtungen mit dem zukünftigen Extremely Large Telescope (ELT) der ESO bilden, das einen noch detaillierteren Blick auf die Strukturen von Sternkinderstuben ermöglichen wird.

So erstaunlich PHANGS auch ist, die Auflösung der Karten, die wir erstellen, reicht gerade aus, um einzelne Sternentstehungswolken zu identifizieren und zu trennen. Aber sie ist immer noch nicht gut genug, um zu erkennen, was in ihrem Inneren im Detail passiert“, betont Eva Schinnerer. „Neue Beobachtungsansätze von unserem Team und anderen verschieben die Grenzen des Machbaren in diese Richtung, so dass wir noch Jahrzehnte spannender Entdeckungen vor uns haben.

Hintergrundinformationen

Das internationale PHANGS-Team besteht aus über 90 Wissenschaftlern, vom Masterstudenten bis zum pensionierten Forscher, die an 30 Institutionen auf vier Kontinenten arbeiten. Die MUSE-Arbeitsgruppe zur Datenreduktion innerhalb von PHANGS wird von Eric Emsellem (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland und Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, Université de Lyon, ENS de Lyon, Saint-Genis Laval, Frankreich) geleitet. Außerdem beteiligt sind Francesco Belfiore (INAF Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florenz, Italien), Guillermo Blanc (Carnegie Observatories, Pasadena, USA), Enrico Congiu (Universidad de Chile, Santiago, Chile und Las Campanas Observatory, Carnegie Institution for Science, Atacama Region, Chile), Brent Groves (The University of Western Australia, Perth, Australien), I-Ting Ho (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland [MPIA]), Kathryn Kreckel (Universität Heidelberg, Heidelberg, Deutschland), Rebecca McElroy (Sydney Institute for Astronomy, Sydney, Australien), Ismael Pessa (MPIA), Patricia Sanchez-Blazquez (Complutense University of Madrid, Madrid, Spanien), Francesco Santoro (MPIA), Fabian Scheuermann (Universität Heidelberg, Heidelberg, Deutschland) und Eva Schinnerer (MPIA).

Hinweis: Dieser Text basiert auf der gleichzeitig erscheinenden Pressemitteilung der ESO.

MN

Weitere interessante Beiträge

Zur Redakteursansicht