Chemische Kartographie enthüllt die Spiralarme der Milchstraße

Keith Hawkins, Assistenzprofessor für Astronomie an der University of Texas in Austin, hat chemische Kartographie – auch als chemische Kartierung bekannt – verwendet, um Regionen der Spiralarme der Milchstraße zu identifizieren, die zuvor unentdeckt blieben. Seine Forschung, veröffentlicht in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Societyzeigt den Wert dieser bahnbrechenden Technik für das Verständnis der Form, Struktur und Entwicklung unserer Heimatgalaxie.

Chemische Karten der Galaxie zeigen, wie die Elemente des Periodensystems in der Milchstraße verteilt sind. Sie ermöglichen es Astronomen, den Standort von Himmelsobjekten anhand ihrer chemischen Zusammensetzung und nicht anhand des von ihnen emittierten Lichts zu bestimmen. Obwohl es die Idee der chemischen Kartographie schon seit einiger Zeit gibt, konnten Astronomen erst vor kurzem signifikante Ergebnisse mit der Technik erzielen. Das ist den immer leistungsfähigeren Teleskopen zu verdanken, die online gehen.

„Ähnlich wie die frühen Entdecker, die immer bessere Karten unserer Welt erstellten, erstellen wir jetzt immer bessere Karten der Milchstraße“, sagt Hawkins. „Diese Karten enthüllen Dinge, die wir für wahr hielten, die wir aber noch überprüfen müssen.“

Wir wissen seit den 1950er Jahren, dass die Milchstraße eine Spiralgalaxie ist. Seine genaue Form, Struktur und sogar die Anzahl seiner Arme sind jedoch Gegenstand laufender Untersuchungen. Das liegt daran, dass wir in unserer Heimatgalaxie leben und nicht weit genug reisen können, um sie aus der Perspektive eines Außenstehenden zu sehen. „Es ist wie in einer Großstadt“, erklärt Hawkins. „Man kann sich die Gebäude ansehen und erkennen, in welcher Straße man sich befindet, aber es ist schwer zu wissen, wie die ganze Stadt aussieht, es sei denn, man sitzt in einem Flugzeug, das darüber fliegt.“

Unsere begrenzte Sicht auf die Milchstraße hat Astronomen nicht davon abgehalten, fundierte Modelle davon zu erstellen; oder Künstler, die wunderschöne Illustrationen davon zeichnen. „Aber“, sagt Hawkins, „ich wollte herausfinden, wie genau diese Modelle und Abbildungen tatsächlich sind. Und um zu sehen, ob chemische Kartographie eine klarere Sicht auf die Spiralarme der Milchstraße ermöglichen könnte.“

Kartierung der Milchstraße

Eine traditionelle Möglichkeit, die Milchstraße zu kartieren, besteht darin, Konzentrationen junger Sterne zu identifizieren. Während sich die Milchstraße dreht, verdichten sich Staub und Gas in ihren Spiralarmen, was zur Geburt neuer Sterne führt. Wo es also viele junge Sterne gibt, wird vorhergesagt, dass es auch einen Arm gibt.

Astronomen können junge Sterne lokalisieren, indem sie das von ihnen emittierte Licht erfassen. Aber manchmal können Staubwolken Sterne verdecken, sodass es selbst für die besten Teleskope schwierig ist, ihr Licht zu beobachten. Daher müssen einige Regionen der Arme der Milchstraße noch entdeckt werden.

Die chemische Kartographie hilft Astronomen, die fehlenden Teile zu ergänzen.

Dabei stützt es sich auf ein astronomisches Konzept namens „Metallizität“. Unter Metallizität versteht man das Verhältnis von Metallen zu Wasserstoff auf der Oberfläche eines Sterns. In der Astronomie wird jedes Element im Periodensystem, das weder Wasserstoff noch Helium ist, als „Metall“ bezeichnet. Junge Sterne besitzen mehr Metalle als ältere Sterne und haben daher eine höhere Metallizität. Dies liegt daran, dass sie sich später in der Geschichte unseres Universums bildeten, als es mehr Metalle gab.

Nach dem Urknall existierten nur noch Wasserstoff, Helium und kaum Spuren einiger Metalle. In ihren Kernen verschmolzen die Sterne der ersten Generation Wasserstoff und Helium zu immer komplexeren Metallen (also immer schwereren Elementen im Periodensystem), bis sie schließlich starben oder explodierten. Aber aus dem Chaos entsteht Leben. Diese Explosionen schleuderten Metalle in ihre Umgebung, wo sie als Bausteine ​​für die nächste Generation von Sternen verwendet wurden.

Während sich der Zyklus der Sternentstehung und -zerstörung wiederholt, wird jede nachfolgende Sterngeneration mit komplexeren Metallen angereichert als die davor, was ihr eine immer höhere Metallizität verleiht. Theoretisch sollten die Spiralarme der Milchstraße, die eine Fülle junger Sterne enthalten, eine höhere Metallizität aufweisen als die Regionen dazwischen.

Karten vergleichen

Um seine Karte zu erstellen, identifizierte Hawkins die Verteilung der Metallizität in der Milchstraße. Er konzentrierte sich auf den Bereich um unsere Sonne, für den diese Daten vorliegen – eine Sicht von bis zu 32.600 Lichtjahren. Es wurde erwartet, dass Bereiche mit einer Fülle an metallreichen Objekten an Spiralarmen ausgerichtet sind und Bereiche mit einem Mangel an metallreichen Objekten an den Zwischenräumen zwischen den Armen ausgerichtet werden.

Als er seine eigene Karte mit anderen des gleichen Bereichs der Milchstraße verglich, stellten die Spiralarme eine Linie zueinander dar. Da Hawkins Karte die Spiralarme anhand der Metallizität und nicht anhand des von jungen Sternen emittierten Lichts identifiziert, tauchten außerdem neue Regionen auf, die zuvor unerforscht waren.

„Eine große Erkenntnis“, sagt Hawkins, „ist, dass die Spiralarme tatsächlich reicher an Metallen sind. Dies verdeutlicht den Wert der chemischen Kartographie bei der Identifizierung der Struktur und Entstehung der Milchstraße. Sie hat das Potenzial, unsere Sicht auf die Galaxie völlig zu verändern.“ “

Das Weltraumteleskop Gaia revolutioniert die Erforschung unserer Galaxie

Mit der Leistungsfähigkeit unserer Teleskope wächst auch das Versprechen der chemischen Kartographie.

Für seine Forschung analysierte Hawkins Daten des Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) und des Gaia-Weltraumteleskops. Besonders aufschlussreich waren die neuen Daten von Gaia (Data Release 3). Denn Gaia bietet die bislang präziseste und umfassendste Untersuchung der Milchstraße, auch ihrer chemischen Zusammensetzung.

Seit seiner Einführung im Jahr 2013 hat Gaia rund zwei Milliarden Objekte überwacht. Astronomen sind nun in der Lage, ihre Forschung von Tausenden Objekten auf Milliarden auszuweiten, und zwar auf einen viel größeren Bereich der Galaxie.

„Die schiere Datenmenge, die von Gaia verfügbar ist, ermöglicht es uns jetzt, chemische Kartographie auf galaktischem Maßstab durchzuführen“, sagt Hawkins. „Daten sowohl über die Positionen von Milliarden von Sternen als auch über ihre chemische Zusammensetzung waren bis vor kurzem nicht verfügbar.“

Bisher hat Gaia chemische Daten für den bislang größten Bereich der Milchstraße bereitgestellt. Allerdings macht dies immer noch nur etwa ein Prozent der Galaxie aus. Während Gaia weiterhin den Himmel untersucht und neue Teleskope online gehen, können Astronomen zunehmend chemische Kartographie nutzen, um grundlegende Eigenschaften unserer Heimatgalaxie zu verstehen. Diese Lektionen können wiederum auf andere Galaxien und das Universum als Ganzes angewendet werden. Hawkins erklärt: „Es ist eine völlig neue Ära.“