Die Gaia-Mission findet Teile der Milchstraße, die viel älter sind als erwartet

Anhand von Daten der ESA-Mission Gaia haben Astronomen gezeigt, dass sich ein Teil der Milchstraße, der als „dicke Scheibe“ bekannt ist, vor 13 Milliarden Jahren zu bilden begann, etwa 2 Milliarden Jahre früher als erwartet und nur 0,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Dieses überraschende Ergebnis stammt aus einer Analyse, die von Maosheng Xiang und Hans-Walter Rix vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg durchgeführt wurde. Sie nahmen Helligkeits- und Positionsdaten aus dem Datensatz Early Data Release 3 (EDR3) von Gaia und kombinierten sie mit Messungen der chemischen Zusammensetzung der Sterne, wie sie sich aus Daten von Chinas Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) für etwa 250.000 ergeben Sterne, um ihr Alter abzuleiten.

Sie entschieden sich dafür, Unterriesensterne zu betrachten. In diesen Sternen wird keine Energie mehr im Kern des Sterns erzeugt und ist in eine Hülle um den Kern herum gewandert. Der Stern selbst verwandelt sich in einen roten Riesenstern. Da die Subriesenphase eine relativ kurze Evolutionsphase im Leben eines Sterns ist, erlaubt sie eine sehr genaue Altersbestimmung, ist aber immer noch eine knifflige Berechnung.

Wie alt sind die Sterne?

Das Alter eines Sterns ist einer der am schwierigsten zu bestimmenden Parameter. Sie kann nicht direkt gemessen werden, sondern muss durch Vergleich der Eigenschaften eines Sterns mit Computermodellen der Sternentwicklung abgeleitet werden. Die Zusammensetzungsdaten helfen dabei. Das Universum wurde fast ausschließlich mit Wasserstoff und Helium geboren. Die anderen chemischen Elemente, die Astronomen zusammenfassend als Metalle bezeichnen, werden im Inneren von Sternen hergestellt und explodieren am Ende des Lebens eines Sterns zurück in den Weltraum, wo sie in die nächste Generation von Sternen eingebaut werden können. Ältere Sterne haben also weniger Metalle und sollen eine geringere Metallizität haben.

Die LAMOST-Daten geben die Metallizität an. Helligkeit und Metallizität zusammen ermöglichen es den Astronomen, das Alter des Sterns aus den Computermodellen zu extrahieren. Vor Gaia arbeiteten Astronomen routinemäßig mit Unsicherheiten von 20-40 Prozent, was dazu führen konnte, dass die ermittelten Alter um eine Milliarde Jahre oder mehr ungenau waren.

Die EDR3-Datenveröffentlichung von Gaia ändert dies. „Mit den Helligkeitsdaten von Gaia können wir das Alter eines Unterriesensterns auf wenige Prozent genau bestimmen“, sagt Maosheng. Ausgestattet mit genauen Altersangaben für eine Viertelmillion Unterriesensterne, die über die Galaxie verteilt sind, begannen Maosheng und Hans-Walter mit der Analyse.

Anatomie der Milchstraße

Unsere Galaxie besteht aus verschiedenen Komponenten. Im Großen und Ganzen können diese in den Heiligenschein und die Scheibe aufgeteilt werden. Der Halo ist die sphärische Region, die die Scheibe umgibt, und wurde traditionell als ältester Bestandteil der Galaxie angesehen. Die Scheibe besteht aus zwei Teilen: der dünnen Scheibe und der dicken Scheibe. Die dünne Scheibe enthält die meisten Sterne, die wir als nebliges Lichtband am Nachthimmel sehen, das wir Milchstraße nennen. Die dicke Scheibe ist mehr als doppelt so hoch wie die dünne Scheibe, hat aber einen kleineren Radius und enthält nur wenige Prozent der Sterne der Milchstraße in der Nachbarschaft der Sonne.

Durch die Identifizierung von Unterriesensternen in diesen verschiedenen Regionen konnten die Forscher eine Zeitachse der Entstehung der Milchstraße erstellen – und da erlebten sie eine Überraschung.

Zwei Phasen in der Geschichte der Milchstraße

Die Sternalter zeigten deutlich, dass die Entstehung der Milchstraße in zwei unterschiedliche Phasen zerfiel. In der ersten Phase, die nur 0,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall begann, begann die dicke Scheibe, Sterne zu bilden. Die inneren Teile des Halo haben möglicherweise auch begonnen, sich in diesem Stadium zusammenzuschließen, aber der Prozess beschleunigte sich schnell bis zum Abschluss etwa zwei Milliarden Jahre später, als eine Zwerggalaxie namens Gaia-Sausage-Enceladus mit der Milchstraße verschmolz. Es füllte den Halo mit Sternen und veranlasste, wie die neue Arbeit deutlich zeigt, die entstehende dicke Scheibe, die Mehrheit ihrer Sterne zu bilden. Die dünne Sternscheibe, die die Sonne hält, entstand in der darauffolgenden zweiten Phase der Galaxienentstehung.

Die Analyse zeigt auch, dass die dicke Scheibe nach dem Sternentstehungsschub, der durch die Verschmelzung mit Gaia-Sausage-Enceladus ausgelöst wurde, weiterhin Sterne bildete, bis das Gas etwa 6 Milliarden Jahre nach dem Urknall aufgebraucht war. Während dieser Zeit wuchs die Metallizität der dicken Scheibe um mehr als den Faktor 10. Bemerkenswerterweise sehen die Forscher jedoch eine sehr enge Beziehung zwischen Sternalter und Metallizität, was darauf hindeutet, dass das die Sterne bildende Gas während dieser Zeit gut gemischt war über die ganze Platte. Dies impliziert, dass die Scheibenregionen der frühen Milchstraße aus stark turbulentem Gas gebildet worden sein müssen, das die Metalle effektiv weit und breit verteilt hat.

Eine Zeitleiste dank Gaia

Das frühere Entstehungsalter der dicken Scheibe weist auf ein anderes Bild der Frühgeschichte unserer Galaxie hin. „Seit der Entdeckung der uralten Verschmelzung mit Gaia-Wurst-Enceladus im Jahr 2018 haben Astronomen vermutet, dass die Milchstraße bereits vorhanden war, bevor sich der Halo bildete, aber wir hatten kein klares Bild davon, wie diese Milchstraße aussah. Unsere Ergebnisse liefern exquisite Details über diesen Teil der Milchstraße, wie z. B. seinen Geburtstag, seine Sternentstehungsrate und die Geschichte der Metallanreicherung. Die Zusammenstellung dieser Entdeckungen mit Gaia-Daten revolutioniert unser Bild davon, wann und wie unsere Galaxie entstanden ist.“ sagt Maosheng.

Und vielleicht blicken wir noch nicht weit genug ins Universum, um zu sehen, wie sich ähnliche galaktische Scheiben bilden. Ein Alter von 13 Milliarden Jahren entspricht einer Rotverschiebung von 7, wobei die Rotverschiebung ein Maß dafür ist, wie weit ein Himmelsobjekt entfernt ist und wie lange sein Licht gebraucht hat, um den Weltraum zu durchqueren und uns zu erreichen.

Neue Beobachtungen könnten in naher Zukunft kommen, da das James-Webb-Weltraumteleskop optimiert wurde, um die frühesten milchstraßenähnlichen Galaxien im Universum zu sehen. Und am 13. Juni dieses Jahres wird Gaia seine vollständige dritte Datenveröffentlichung (Gaia DR3) veröffentlichen. Dieser Katalog wird Spektren und abgeleitete Informationen wie Alter und Metallizität enthalten, wodurch Studien wie die von Maosheng noch einfacher durchgeführt werden können.

„Mit jeder neuen Analyse und Datenveröffentlichung ermöglicht uns Gaia, die Geschichte unserer Galaxie in noch nie da gewesener Detailgenauigkeit zusammenzusetzen. Mit der Veröffentlichung von Gaia DR3 im Juni werden Astronomen in der Lage sein, die Geschichte mit noch mehr Details zu bereichern“, sagt Timo Prusti, Gaia-Projektwissenschaftler für die ESA.

Die Studie wurde veröffentlicht in Natur.