Entfernte Sterne wurden zum ersten Mal im riesigen Magellanschen Strom gesichtet

Fast fünfzig Jahre lang sind Astronomen bei ihrer Suche nach Sternen innerhalb der ausgedehnten Struktur, die als Magellanstrom bekannt ist, mit leeren Händen da. Der Magellansche Strom ist ein kolossales Gasband, das sich über fast 300 Monddurchmesser über den Himmel der südlichen Hemisphäre erstreckt und hinter den Magellanschen Wolkengalaxien herzieht, zwei der nächsten kosmischen Nachbarn unserer Milchstraße.

Nun hat die Sternensuche endlich ein Ende. Forscher am Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian (CfA) und Kollegen haben 13 Sterne identifiziert, deren Entfernungen, Bewegung und chemische Zusammensetzung die Sterne genau in den rätselhaften Strom einordnen.

Die Ortung dieser Sterne hat nun die wahre Entfernung zum Magellanschen Strom bestimmt und enthüllt, dass er sich von 150.000 Lichtjahren bis zu mehr als 400.000 Lichtjahren erstreckt. Die Ergebnisse ebnen den Weg zur Kartierung und Modellierung des Magellanschen Stroms in beispielloser Detailgenauigkeit und bieten neue Einblicke in die Geschichte und Eigenschaften unserer Galaxie und ihrer Nachbarn.

„Der Magellansche Strom dominiert den Himmel der südlichen Hemisphäre, und unsere Arbeit hat endlich eine Sternstruktur gefunden, nach der die Menschen seit Jahrzehnten gesucht haben“, sagt Vedant Chandra, Doktorand in Astronomie und Astrophysik am CfA und Hauptautor einer neuen Studie Studie veröffentlicht in Das Astrophysikalische Journal Berichterstattung über die Ergebnisse.

„Mit diesen und weiteren Ergebnissen hoffen wir, ein weitaus besseres Verständnis der Entstehung des Magellanschen Stroms und der Magellanschen Wolken sowie ihrer vergangenen und zukünftigen Wechselwirkungen mit unserer Galaxie zu gewinnen“, sagte Co-Autor Charlie Conroy, a Professor für Astronomie am CfA und Chandras Berater.

Die Große und Kleine Magellansche Wolke sind Zwerg-Satellitengalaxien der Milchstraße. Mit bloßem Auge als hauchdünne Lichter sichtbar, sind die Wolken seit der Antike bekannt. Mit dem Aufkommen immer leistungsfähigerer Teleskope, die Phänomene wahrnehmen können, die für unsere Augen zu schwach sind, entdeckten Astronomen Anfang der 1970er Jahre eine gigantische Wolke aus Wasserstoffgas, die offenbar aus den Wolken geschleudert wurde.

Untersuchungen des Gases in diesem Magellanschen Strom zeigten außerdem, dass der Strom zwei miteinander verwobene Filamente aufweist, von denen eines aus jeder Wolke stammt. Diese Merkmale deuten darauf hin, dass die Schwerkraft der Milchstraße den Magellanschen Strom aus den Wolken gezogen haben könnte. Doch wie genau sich der Strom gebildet hat, ist weiterhin schwer zu bestimmen, auch weil seine vermutete stellare Komponente lästigerweise nicht erkennbar ist.

Chandra ist diesem Problem durch ein ehrgeiziges Projekt begegnet, das 2021 für seine Doktorarbeit am CfA begonnen wurde. Chandra beriet sich mit Conroy über interessante Themenbereiche, die untersucht werden sollten, und Conroy wies Chandra auf die unbekannte Grenze der Milchstraße hin. Die spärlichen Sterne am Rande der Galaxie wurden kaum erforscht, weil unser Sonnensystem direkt in der Sternenscheibe der Milchstraße selbst liegt – vergleichbar mit einem Konzertbesucher in der Nähe der Bühne, der versucht, jemanden ganz am Rande der Menschenmenge zu sehen.

Im letzten Jahrzehnt haben jedoch umfassende Beobachtungskataloge, die von neuen Instrumenten – insbesondere der Raumsonde Gaia der Europäischen Weltraumorganisation – zusammengestellt wurden, damit begonnen, Sternobjekte zu entdecken, bei denen es sich möglicherweise um diese schwer fassbaren Grenzsterne handelt. Nachdem Chandra über das CfA und das MIT Zugang zum 6,5-m-Magellan-Baade-Teleskop am Las-Campanas-Observatorium in Chile erhalten hatte, startete Chandra ein Projekt zur Durchführung von Spektroskopie an 200 weit entfernten Milchstraßensternen, das nach seiner Fertigstellung der größte Probensatz dieser Art sein wird miteinander ausgehen.

Bei der Spektroskopie wird genügend Licht von einem Objekt gesammelt, um spezifische, in die Farbbänder des Lichts eingeprägte Signaturen zu erkennen, die wie Fingerabdrücke einzelne chemische Elemente eindeutig identifizieren. Diese Signaturen offenbaren somit die chemische Zusammensetzung eines Objekts und geben Aufschluss über dessen Herkunft. Darüber hinaus verschieben sich die Signaturen je nach Entfernung zu einem Objekt, sodass Astronomen erkennen können, wohin sich ein Objekt, beispielsweise ein Stern, bewegt und entsprechend, woher es kommt.

Im Fall von Chandras Studie ergab die spektroskopische Analyse eine Gruppe von 13 Sternen mit Entfernungen und Geschwindigkeiten, die genau im erwarteten Bereich des Magellanschen Stroms liegen. Darüber hinaus entsprachen die chemischen Häufigkeiten der Sterne denen der Magellanschen Wolken, beispielsweise weil sie einen deutlichen Mangel an schwereren Elementen aufwiesen, die Astronomen als Metalle bezeichnen. „Diese 13 Sterne sind einfach aus unserem Datensatz herausgefallen“, sagt Rohan Naidu, Co-Autor der Studie und ehemaliger CfA-Doktorand, derzeit Hubble-Postdoktorand am MIT.

Indem sie solide Entfernungs- und Ausdehnungsmessungen des Magellanschen Stroms über diese Sterne erhielten, untermauerten die Forscher seine Entstehungsgeschichte als einen gravitativen Eingriff in die Milchstraße. Darüber hinaus waren die Forscher im Vergleich zu früheren Schätzungen in der Lage, die gesamte Gasverteilung des Streams mit größerer Sicherheit zu berechnen. Die Verteilung zeigt, dass der Stream tatsächlich etwa doppelt so massiv ist wie allgemein angenommen.

Dieses Ergebnis lässt wiederum auf eine Zukunft voller neuer Sternentstehung in der Milchstraße schließen, da der Strom nach früheren Beobachtungen aktiv in unsere Galaxie fällt. Auf diese Weise dient der Stream als Hauptlieferant des kalten, neutralen Gases, das für die Entstehung frischer Sterne in der Milchstraße benötigt wird.

„Der Magellansche Strom ist die Hauptkalorienquelle der Milchstraße – er ist unser Frühstück, Mittag- und Abendessen“, sagt Ana Bonaca, Mitautorin der Studie und ehemalige ITC-Postdoktorandin am CfA, jetzt wissenschaftliche Mitarbeiterin an den Carnegie Observatories. „Basierend auf den neuen, höheren Massenschätzungen für den Magellanschen Strom könnte die Milchstraße am Ende mehr Pfunde zunehmen als zunächst angenommen.“

Weitere Untersuchungen des Magellanschen Stroms sollten Astronomen auch dabei helfen, mehr über die Zusammensetzung unserer Galaxie zu erfahren. Da angenommen wird, dass der Strom die früheren Wege der Magellanschen Wolken verfolgt, wird die Modellierung der Entwicklung der relativ massiven Großen Magellanschen Wolke mithilfe des Stroms die Messungen der Massenverteilung der Milchstraße verbessern.

Ein Großteil dieser Masse liegt in Form von Dunkler Materie vor – einer kaum verstandenen, Schwerkraft ausübenden Substanz. Eine bessere Messung der Masse unserer Galaxie in ihrem fernen Hinterland wird dabei helfen, den Gehalt an gewöhnlicher Materie gegenüber dem Gehalt an dunkler Materie zu erklären und die möglichen Eigenschaften der letzteren einzuschränken.

„Das Schöne an einem riesigen Sternstrom wie dem Magellanschen Strom ist, dass wir damit jetzt so viele astrophysikalische Untersuchungen durchführen können“, sagt Chandra. „Während unsere spektroskopische Untersuchung weitergeht und wir weitere Sterne finden, sind wir gespannt, welche weiteren Überraschungen die galaktischen Außenbezirke für uns bereithalten.“