Chandra bestimmt, was den Wind einer Galaxie wehen lässt

Auf der Erde kann der Wind Staub- und Schuttpartikel über den Planeten transportieren, wobei Sand aus der Sahara in die Karibik gelangt oder Vulkanasche aus Island in Grönland abgelagert wird. Wind kann auch einen großen Einfluss auf die Ökologie und Umwelt einer Galaxie haben, genau wie auf der Erde, aber in viel größerem und dramatischerem Ausmaß.

Eine neue Studie mit dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA zeigt die Auswirkungen starker Winde, die vom Zentrum einer nahe gelegenen Galaxie, NGC 253, ausgehen, die 11,4 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Dieser galaktische Wind besteht aus Gas mit Temperaturen von Millionen Grad, das in Röntgenstrahlen leuchtet. Eine Menge heißes Gas, die etwa zwei Millionen Erdmassen entspricht, wird jedes Jahr vom Zentrum der Galaxie weggeblasen.

NGC 253 ist eine Spiralgalaxie und ähnelt damit unserer Milchstraße. Allerdings entstehen Sterne in NGC 253 etwa zwei- bis dreimal schneller als in unserer Heimatgalaxie. Einige dieser jungen Sterne sind massiv und erzeugen einen Wind, indem sie heftig Gas von ihrer Oberfläche blasen. Noch stärkere Winde werden entfesselt, wenn diese Sterne später in ihrem relativ kurzen Leben als Supernovae explodieren und Materiewellen in den Weltraum schleudern.

NGC 253 gibt Astronomen ein Schlüsselloch, durch das sie diese wichtige Phase im Lebenszyklus eines Sterns untersuchen können. Das Material, das die jungen Sterne über Hunderte von Lichtjahren in den intergalaktischen Raum schicken, ist angereichert mit Elementen, die in ihrem Inneren geschmiedet wurden. Diese Elemente, von denen viele für das Leben auf der Erde verantwortlich sind, werden in die nächsten Generationen von Sternen und Planeten gefaltet.

Ein neues zusammengesetztes Bild von NGC 253 im Einschub enthält Chandra-Daten (pink und weiß), die zeigen, dass diese Winde in zwei entgegengesetzte Richtungen vom Zentrum der Galaxie weg wehen, nach oben rechts und nach unten links. In diesem Bild sind auch sichtbare Lichtdaten (cyan) und Emissionen von Wasserstoff (orange), beide von einem 0,9-Meter-Teleskop am Kitt Peak Observatory, sowie Infrarotdaten des Spitzer-Weltraumteleskops der NASA (rot) zu sehen. Aus der Sicht der Erde erscheint NGC 253 fast von der Seite, wie auf dem breiteren Bild in der Grafik zu sehen ist, die ein optisches Bild vom La-Silla-Observatorium der Europäischen Südsternwarte in Chile zeigt.

Ein Team unter der Leitung von Sebastian Lopez von der Ohio State University in Columbus, Ohio, nutzte tiefe Chandra-Beobachtungen, die über vier Tage durchgeführt wurden, um die Eigenschaften des Windes zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die Dichte und Temperatur des Gases im Wind in Regionen, die weniger als etwa 800 Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt sind, am höchsten ist – und dann mit zunehmender Entfernung abnimmt.

Diese Ergebnisse stimmen nicht mit einem frühen Modell überein, bei dem die Winde sogenannter Starburst-Galaxien wie NGC 253 kugelförmig sind. Stattdessen sagen neuere theoretische Arbeiten voraus, dass ein stärker fokussierter Wind von einem Ring aus „Supersternhaufen“ nahe dem Zentrum von NGC 253 gebildet werden sollte. Supersternhaufen enthalten eine große Anzahl junger, massereicher Sterne.

Die von Lopez und seinem Team beobachtete konzentrierte Natur des Windes unterstützt daher die Idee, dass die Supersternhaufen eine Hauptquelle des Windes sind. Es gibt jedoch keine vollständige Übereinstimmung zwischen Theorie und Beobachtungen, was darauf hindeutet, dass Physik in der Theorie fehlt.

Ein Hinweis darauf, was fehlt, ergibt sich aus der Beobachtung des Teams, dass der Wind schnell abkühlt, wenn er sich vom Zentrum der Galaxie entfernt. Dies deutet darauf hin, dass der Wind kühleres Gas nach oben bläst, wodurch der Wind abkühlt und langsamer wird. Ein solcher „Windpflug“-Effekt könnte die zusätzliche Physik sein, die erforderlich ist, um eine bessere Übereinstimmung zwischen Theorie und Beobachtungen zu erzielen.

Lopez und seine Kollegen untersuchten auch die Zusammensetzung des Windes, einschließlich der Frage, wie Elemente wie Sauerstoff, Neon, Magnesium, Silizium, Schwefel und Eisen über die Struktur verstreut sind. Sie fanden heraus, dass diese Elemente weiter weg vom Zentrum der Galaxie viel stärker verdünnt werden. Astronomen sahen keine so schnelle Abnahme der Mengen dieser Elemente im Wind einer anderen gut untersuchten Galaxie, M82, die einen Ausbruch von Sternentstehung durchmacht.

Astronomen werden zukünftige Beobachtungen anderer Galaxien mit Winden benötigen, um zu verstehen, ob dieser Unterschied mit den allgemeinen Eigenschaften der Galaxien zusammenhängt, wie etwa der Gesamtmasse der darin enthaltenen Sterne.

Ein Artikel, der diese Ergebnisse beschreibt, wurde in The veröffentlicht Astrophysikalische Zeitschrift.