Unsere Galaxie ist im Laufe ihres Lebens schon mit vielen anderen Galaxien kollidiert. Das Weltraumteleskop Gaia der ESA zeigt nun, dass der jüngste dieser Zusammenstöße Milliarden Jahre später stattfand, als wir dachten.
Die Milchstraße ist im Laufe der Zeit gewachsen, da sich andere Galaxien unserer Galaxie genähert haben, mit ihr kollidiert sind und von ihr auseinandergerissen und verschlungen wurden. Jede Kollision löste Falten aus, die sich noch heute durch verschiedene Sternenfamilien ziehen und ihre Bewegung und ihr Verhalten im Weltraum beeinflussen.
Eines von Gaias Zielen besteht darin, durch die Untersuchung dieser Falten die Geschichte unserer Galaxie zu entschlüsseln. Dies tut die Sonde durch die genaue Bestimmung der Positionen und Bewegungen von über 100.000 Sternen in der Nähe unseres eigenen Sterns, einem winzigen Bruchteil der etwa zwei Milliarden Quellen, die sie beobachtet.
„Mit zunehmendem Alter bekommen wir mehr Falten, aber unsere Arbeit zeigt, dass für die Milchstraße das Gegenteil der Fall ist. Sie ist eine Art kosmischer Benjamin Button, der mit der Zeit weniger Falten bekommt“, sagt Thomas Donlon vom Rensselaer Polytechnic Institute und der University of Alabama in Huntsville, USA, und Hauptautor der neuen Gaia-Studie. veröffentlicht In Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
„Indem wir beobachten, wie sich diese Falten mit der Zeit auflösen, können wir zurückverfolgen, wann die Milchstraße ihren letzten großen Zusammenbruch erlebte – und es stellt sich heraus, dass dies Milliarden von Jahren später geschah, als wir dachten.“
Diese galaktischen Falten wurden erst 2018 von Gaia entdeckt. Diese Studie ist die erste, die durch den Vergleich von Beobachtungen mit kosmologischen Simulationen den Zeitpunkt der Kollision, die die Falten verursacht hat, genau bestimmt hat.
Seltsame Bewegungen
Der Halo der Milchstraße enthält eine große Gruppe von Sternen mit ungewöhnlichen Umlaufbahnen. Viele von ihnen wurden vermutlich während eines Ereignisses in unsere Galaxie aufgenommen, das Astronomen als „letzte große Fusion“ bezeichnen. Wie der Name schon sagt, war dies das letzte Mal, dass unsere Galaxie eine bedeutende Kollision mit einer anderen Galaxie erlebte – vermutlich einer massiven Zwerggalaxie, die die Milchstraße mit Sternen überflutete, die sehr nahe am Zentrum unserer Galaxie vorbeiziehen.
Wissenschaftler hatten diese Verschmelzung auf einen Zeitraum zwischen 8 und 11 Milliarden Jahren datiert, als die Milchstraße noch in den Kinderschuhen steckte. Sie ist als Gaia-Wurst-Enceladus (GSE) bekannt. Doch Daten von Gaia – die 2022 als Teil des Data Release 3 des Teleskops veröffentlicht wurden – deuten nun darauf hin, dass eine andere Verschmelzung die ungewöhnlich bewegten Sterne hervorgebracht haben könnte.
„Damit die Falten der Sterne so deutlich zu erkennen sind, wie sie in den Gaia-Daten erscheinen, müssen sie sich uns vor weniger als drei Milliarden Jahren angeschlossen haben – mindestens fünf Milliarden Jahre später als bisher angenommen“, fügt Co-Autorin Heidi Jo Newberg, ebenfalls vom Rensselaer Polytechnic Institute, hinzu.
„Jedes Mal, wenn die Sterne durch das Zentrum der Milchstraße hin und her schwingen, bilden sich neue Falten in den Sternen. Wenn sie sich uns vor 8 Milliarden Jahren angeschlossen hätten, gäbe es so viele Falten direkt nebeneinander, dass wir sie nicht mehr als getrennte Strukturen erkennen würden.“
Der Befund lässt darauf schließen, dass diese Sterne nicht aus der frühen GSE-Verschmelzung stammen, sondern aus einem jüngeren Ereignis namens Virgo Radial Merger, das vor weniger als drei Milliarden Jahren stattfand.
Diese Animation zeigt eine Verschmelzung, die vor etwa 9,7 Milliarden Jahren begann und bis in die Gegenwart andauert. Sie zeigt die spiralförmige Milchstraße in der Mitte des Bildes, während die beiden markanten Satellitengalaxien unserer Galaxie (die Große und die Kleine Magellansche Wolke) unten rechts sichtbar sind. Eine rote Wolke aus Sternen bewegt sich durch das Bild – dies ist eine Zwerggalaxie, die mit der Milchstraße kollidiert. Diese Galaxie wird infolge der Kollision auseinandergerissen. Die Auflösung der Animation erhöht sich auf etwa 7 Milliarden Jahre, um die „Wolke“ neuer Sterne, die von diesem kollidierenden Zwerg in die Milchstraße gezogen wird, besser darzustellen. Diese Sterne erzeugen einen „Halo“ aus Sternen um unsere Galaxie, eine große Sternenkomponente, die sich in alle Richtungen nach außen erstreckt (dieser Halo wurde in dieser Simulation optisch verstärkt, ist aber in Wirklichkeit im Vergleich zur galaktischen Scheibe sehr dunkel). Kurz nach der Kollision sieht die innere Galaxie chaotisch und faltig aus, aber lange danach wird sie glatt. Gaia beobachtet diese Falten, um die Geschichte der Milchstraße nachzuverfolgen und neu zu schreiben. Das Weltraumteleskop ist einzigartig positioniert, um die unzähligen Sterne in unserem Himmel zu erforschen, und hat bis heute einen beispiellosen Datensatz der Positionen, Entfernungen und Bewegungen von rund 1,5 Milliarden Sternen zusammengestellt. Die neuen Erkenntnisse von Gaia zeigen, dass die Falten, die wir in der Milchstraße sehen, wahrscheinlich durch eine Zwerggalaxie verursacht wurden, die vor etwa 2,7 Milliarden Jahren mit der Milchstraße kollidierte – mit anderen Worten, ein großer Teil der Milchstraße kam erst in den letzten paar Milliarden Jahren zu uns. Bildnachweis: Europäische Weltraumorganisation
Geschichte neu schreiben
Es gibt Hinweise darauf, dass die GSE-Verschmelzung schon weit zurück in der Geschichte der Milchstraße stattgefunden hat. Neuere Arbeiten stellen jedoch die Frage, ob eine gewaltige Verschmelzung in der Vergangenheit tatsächlich erforderlich ist, um die Eigenschaften der Milchstraße, wie wir sie heute sehen, zu erklären, und ob alle ursprünglich mit der GSE in Verbindung gebrachten Sterne aus demselben Verschmelzungsereignis stammen.
Im Jahr 2020 leitete Thomas die Studie, die Falten von Sternen in der Milchstraße identifizierte und diese mit Simulationen verschiedener möglicher Fusionen verglich.
„Mithilfe dieser simulierten Verschmelzungen können wir sehen, wie sich die Formen und die Anzahl der Falten im Laufe der Zeit ändern. So können wir den genauen Zeitpunkt bestimmen, an dem die Simulation am besten mit dem übereinstimmt, was wir heute in realen Gaia-Daten der Milchstraße sehen – eine Methode, die wir auch in dieser neuen Studie verwendet haben“, sagt Thomas.
„Dabei haben wir herausgefunden, dass die Falten wahrscheinlich durch die Kollision einer Zwerggalaxie mit der Milchstraße vor etwa 2,7 Milliarden Jahren verursacht wurden. Wir haben dieses Ereignis Virgo Radial Merger genannt.“
Seitdem haben Thomas und seine Kollegen diese Verschmelzung weiter erforscht und dabei langsam die Idee verfeinert, dass viele der seltsam bewegten Sterne und Trümmer im inneren Halo der Milchstraße durch eine viel jüngere Galaxienkollision als die GSE in unsere Galaxie gelangt sind. Sie haben auch geklärt, dass die ursprünglich mit der GSE in Verbindung gebrachten Sterne aus mehreren, teilweise sehr alten Verschmelzungen stammen könnten.
„Die Geschichte der Milchstraße wird derzeit ständig neu geschrieben, nicht zuletzt dank neuer Daten von Gaia“, fügt Thomas hinzu. „Unser Bild von der Vergangenheit der Milchstraße hat sich im Vergleich zu vor einem Jahrzehnt dramatisch verändert, und ich denke, unser Verständnis dieser Verschmelzungen wird sich auch weiterhin schnell ändern.“
„Dieses Ergebnis – dass ein großer Teil der Milchstraße erst in den letzten paar Milliarden Jahren zu uns gestoßen ist – stellt eine große Veränderung gegenüber dem dar, was Astronomen bisher dachten. Viele gängige Modelle und Vorstellungen über das Wachstum der Milchstraße würden davon ausgehen, dass eine kürzlich erfolgte Frontalkollision mit einer Zwerggalaxie dieser Masse sehr selten wäre.“
Es ist wahrscheinlich, dass der Virgo Radial Merger eine Familie anderer kleiner Zwerggalaxien und Sternhaufen mit sich brachte, die sich alle etwa zur gleichen Zeit der Milchstraße angeschlossen hätten. Zukünftige Untersuchungen werden zeigen, welche dieser kleineren Objekte, von denen man bisher dachte, sie seien mit einem alten GSE verbunden, tatsächlich mit einem jüngeren Virgo Radial Merger in Verbindung stehen.
Unglaubliche Zusammenarbeit
Diese Entdeckung reiht sich in eine Reihe von Ergebnissen von Gaia ein, die die Geschichte unserer kosmischen Heimat neu schreiben. Das Weltraumteleskop ist einzigartig positioniert, um die unzähligen Sterne in unserem Himmel zu erforschen, und hat bis heute einen beispiellosen Datensatz der Positionen, Entfernungen und Bewegungen von rund 1,5 Milliarden Sternen zusammengestellt.
„Gaia ist eine äußerst produktive Mission, die unsere Sicht auf den Kosmos verändert“, sagt Timo Prusti, Projektwissenschaftler für Gaia bei der ESA. „Ergebnisse wie diese sind nur durch die unglaubliche Teamarbeit und Zusammenarbeit einer großen Zahl von Wissenschaftlern und Ingenieuren in ganz Europa und darüber hinaus möglich.“
„Diese Entdeckung erweitert unser Wissen über die vielen komplizierten Ereignisse, die die Milchstraße geformt haben, und hilft uns dabei, besser zu verstehen, wie Galaxien entstehen und geformt werden – insbesondere unsere Heimatgalaxie.“
Mehr Informationen:
Thomas Donlon et al., Die Trümmer der „letzten großen Fusion“ sind dynamisch jung, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1264