Eine neue Studie hat die wahre Form der diffusen Sternenwolke enthüllt, die die Scheibe unserer Galaxie umgibt. Jahrzehntelang haben Astronomen angenommen, dass diese Sternenwolke – genannt Sternhalo – weitgehend kugelförmig ist, wie ein Wasserball. Jetzt zeigt ein neues Modell, das auf modernen Beobachtungen basiert, dass der Sternhalo länglich und geneigt ist, ähnlich wie ein Fußball, der gerade getreten wurde.
Das Ergebnisse—veröffentlicht in diesem Monat Das Astronomische Journal — bieten Einblicke in eine Vielzahl astrophysikalischer Themengebiete. Die Ergebnisse geben zum Beispiel Aufschluss über die Geschichte unserer Galaxie und die galaktische Evolution und liefern gleichzeitig Hinweise für die laufende Jagd nach der mysteriösen Substanz, die als Dunkle Materie bekannt ist.
„Die Form des stellaren Halo ist ein sehr grundlegender Parameter, den wir gerade mit größerer Genauigkeit gemessen haben, als dies zuvor möglich war“, sagt der Hauptautor der Studie, Jiwon „Jesse“ Han, ein Ph.D. Student am Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian. „Es gibt viele wichtige Implikationen dafür, dass der Sternhalo nicht kugelförmig ist, sondern wie ein Fußball, Rugbyball oder Zeppelin geformt ist – treffen Sie Ihre Wahl!“
„Seit Jahrzehnten geht man allgemein davon aus, dass der stellare Halo mehr oder weniger kugelförmig und isotrop oder in allen Richtungen gleich ist“, fügt Studien-Co-Autor Charlie Conroy hinzu, Hans Berater und Professor für Astronomie an der Harvard University und den USA Zentrum für Astrophysik. „Wir wissen jetzt, dass das Lehrbuchbild unserer Galaxie, eingebettet in ein kugelförmiges Volumen von Sternen, über Bord geworfen werden muss.“
Astronomen haben entdeckt, dass der Sternhalo der Milchstraße – eine Wolke diffuser Sterne um alle Galaxien – zeppelinförmig und geneigt ist. Die Illustration dieses Künstlers betont die Form des dreidimensionalen Heiligenscheins, der unsere Galaxie umgibt. Bildnachweis: Melissa Weiss/Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian
Der stellare Halo der Milchstraße ist der sichtbare Teil dessen, was allgemeiner als galaktischer Halo bezeichnet wird. Dieser galaktische Halo wird von unsichtbarer dunkler Materie dominiert, deren Anwesenheit nur durch die von ihr ausgeübte Schwerkraft messbar ist. Jede Galaxie hat ihren eigenen Halo aus dunkler Materie. Diese Halos dienen als eine Art Gerüst, an dem gewöhnliche, sichtbare Materie hängt. Diese sichtbare Materie wiederum bildet Sterne und andere beobachtbare galaktische Strukturen. Um besser zu verstehen, wie sich Galaxien bilden und interagieren, sowie die zugrunde liegende Natur der Dunklen Materie, sind stellare Halos dementsprechend wertvolle astrophysikalische Ziele.
„Der stellare Halo ist ein dynamischer Tracer des galaktischen Halo“, sagt Han. „Um mehr über galaktische Halos im Allgemeinen und insbesondere über den galaktischen Halo und die Geschichte unserer eigenen Galaxie zu erfahren, ist der stellare Halo ein großartiger Ausgangspunkt.“
Die Form des stellaren Halo der Milchstraße zu ergründen, hat die Astrophysiker jedoch lange herausgefordert, aus dem einfachen Grund, dass wir darin eingebettet sind. Der stellare Halo erstreckt sich mehrere hunderttausend Lichtjahre über und unter der sternengefüllten Ebene unserer Galaxie, wo sich unser Sonnensystem befindet.
„Anders als bei externen Galaxien, wo wir sie nur betrachten und ihre Halos messen“, sagt Han, „fehlt uns die gleiche Art von Luftperspektive von außen auf den Halo unserer eigenen Galaxie.“
Erschwerend kommt hinzu, dass sich der stellare Halo als ziemlich diffus erwiesen hat und nur etwa ein Prozent der Masse aller Sterne der Galaxie enthält. Doch im Laufe der Zeit ist es den Astronomen gelungen, viele tausend Sterne zu identifizieren, die diesen Halo bevölkern, die sich von anderen Milchstraßensternen aufgrund ihrer charakteristischen chemischen Zusammensetzung (die durch Studien ihres Sternenlichts gemessen werden kann) sowie ihrer Entfernungen und Bewegungen über sie hinweg unterscheiden der Himmel. Durch solche Studien haben Astronomen erkannt, dass Halo-Sterne nicht gleichmäßig verteilt sind. Das Ziel war seitdem, die Muster der Überdichte von Sternen zu untersuchen, die räumlich als Bündel und Ströme erscheinen, um die endgültigen Ursprünge des stellaren Halo zu klären.
Die neue Studie von CfA-Forschern und Kollegen nutzt zwei große Datensätze, die in den letzten Jahren gesammelt wurden und den stellaren Halo wie nie zuvor ausgelotet haben.
Der erste Satz stammt von Gaia, einem revolutionären Raumschiff, das 2013 von der Europäischen Weltraumorganisation gestartet wurde. Gaia hat weiterhin die genauesten Messungen der Positionen, Bewegungen und Entfernungen von Millionen von Sternen in der Milchstraße, einschließlich einiger nahe gelegener stellarer Halo-Sterne, zusammengestellt .
Der zweite Datensatz stammt von H3 (Hectochelle in the Halo at High Resolution), einer bodengestützten Vermessung, die am MMT am Fred Lawrence Whipple Observatory in Arizona und einer Zusammenarbeit zwischen dem CfA und der University of Arizona durchgeführt wurde. H3 hat detaillierte Beobachtungen von Zehntausenden von stellaren Halo-Sternen gesammelt, die zu weit entfernt sind, als dass Gaia sie beurteilen könnte.
Die Kombination dieser Daten in einem flexiblen Modell, das es ermöglichte, dass die stellare Haloform aus allen Beobachtungen hervorging, ergab den entschieden nicht kugelförmigen Halo – und die Fußballform passt gut zu anderen bisherigen Erkenntnissen. Die Form zum Beispiel stimmt unabhängig und stark mit einer führenden Theorie über die Entstehung des stellaren Halo der Milchstraße überein.
Nach diesem Schema entstand der stellare Halo, als eine einsame Zwerggalaxie vor 7 bis 10 Milliarden Jahren mit unserer viel größeren Galaxie kollidierte. Die verstorbene Zwerggalaxie ist amüsanterweise als Gaia-Sausage-Enceladus (GSE) bekannt, wobei sich „Gaia“ auf das oben erwähnte Raumschiff bezieht, „Sausage“ auf ein Muster, das beim Plotten der Gaia-Daten erscheint, und „Enceladus“ auf den griechischen mythologischen Riesen, der war unter einem Berg begraben – ähnlich wie GSE in der Milchstraße begraben wurde. Als Folge dieses galaktischen Kollisionsereignisses wurde die Zwerggalaxie auseinandergerissen und ihre einzelnen Sterne zu einem zerstreuten Halo verstreut. Eine solche Ursprungsgeschichte erklärt die inhärente Unähnlichkeit der stellaren Halo-Sterne zu Sternen, die in der Milchstraße geboren und gezüchtet wurden.
Die Ergebnisse der Studie zeigen weiter, wie GSE und die Milchstraße vor all diesen Äonen interagiert haben. Die Fußballform – technisch als triaxiales Ellipsoid bezeichnet – spiegelt die Beobachtungen von zwei Haufen von Sternen im stellaren Halo wider. Die Pile-ups bildeten sich angeblich, als GSE zwei Umlaufbahnen der Milchstraße durchlief. Während dieser Umlaufbahnen hätte GSE zweimal an sogenannten Apozentren oder den am weitesten entfernten Punkten in der Umlaufbahn der Zwerggalaxie des größeren Gravitationsattraktors, der kräftigen Milchstraße, verlangsamt; Diese Pausen führten zu einem zusätzlichen Verlust von GSE-Sternen. Die Neigung des stellaren Halo weist darauf hin, dass GSE die Milchstraße in einem Einfallswinkel und nicht direkt getroffen hat.
„Die Neigung und Verteilung der Sterne im stellaren Halo liefert eine dramatische Bestätigung dafür, dass unsere Galaxie vor 7 bis 10 Milliarden Jahren mit einer anderen kleineren Galaxie kollidierte“, sagt Conroy.
Bemerkenswerterweise ist seit dem Zusammenbruch der GSE-Milchstraße so viel Zeit vergangen, dass erwartet wurde, dass sich die stellaren Halo-Sterne dynamisch in die klassische, lange angenommene sphärische Form einpendeln würden. Die Tatsache, dass sie dies wahrscheinlich nicht getan haben, spricht für den breiteren galaktischen Halo, sagt das Team. Diese von dunkler Materie dominierte Struktur selbst ist wahrscheinlich schief und hält durch ihre Schwerkraft ebenfalls den stellaren Halo aus dem Gleichgewicht.
„Der geneigte Sternhalo deutet stark darauf hin, dass der darunter liegende Halo aus dunkler Materie ebenfalls geneigt ist“, sagt Conroy. „Eine Neigung im Halo aus dunkler Materie könnte erhebliche Auswirkungen auf unsere Fähigkeit haben, Partikel aus dunkler Materie in Laboratorien auf der Erde zu erkennen.“
Conroys letzter Punkt spielt auf die zahlreichen Experimente mit Detektoren für dunkle Materie an, die derzeit laufen und geplant sind. Diese Detektoren könnten ihre Chancen erhöhen, eine schwer fassbare Wechselwirkung mit dunkler Materie zu erfassen, wenn Astrophysiker beurteilen können, wo die Substanz galaktisch gesehen stärker konzentriert ist. Während sich die Erde durch die Milchstraße bewegt, wird sie regelmäßig auf diese Regionen mit dichten und schnelleren Teilchen der Dunklen Materie treffen, was die Wahrscheinlichkeit einer Entdeckung erhöht.
Die Entdeckung der plausibelsten Konfiguration des stellaren Halos wird viele astrophysikalische Untersuchungen voranbringen und gleichzeitig grundlegende Details über unseren Platz im Universum ausfüllen.
„Das sind so intuitiv interessante Fragen zu unserer Galaxie: ‚Wie sieht die Galaxie aus?‘ und ‚Wie sieht der stellare Halo aus?'“, sagt Han. „Insbesondere mit dieser Forschungs- und Studienrichtung beantworten wir diese Fragen endlich.“
Mehr Informationen:
Jiwon Jesse Han et al, The Stellar Halo of the Galaxy is Tilted and Double Broken, Das Astronomische Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-3881/ac97e9