Im Laufe von Milliarden von Jahren wachsen und entwickeln sich Galaxien, indem sie neue Sterne schmieden und mit anderen Galaxien durch treffend benannte „galaktische Einwanderungsereignisse“ verschmelzen. Astronomen versuchen, die Geschichte dieser Einwanderungsereignisse aufzudecken, indem sie die Bewegungen einzelner Sterne in einer Galaxie und ihrem ausgedehnten Halo aus Sternen und dunkler Materie untersuchen. Eine solche kosmische Archäologie war bisher jedoch nur in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, möglich.
Ein internationales Forscherteam hat auffallende neue Beweise für ein großes galaktisches Einwanderungsereignis in der Andromeda-Galaxie, dem nächsten großen galaktischen Nachbarn der Milchstraße, entdeckt. Die neuen Ergebnisse wurden mit dem Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) des DOE am 4-Meter-Teleskop Nicholas U. Mayall am Kitt Peak National Observatory, einem Programm des NOIRLab der NSF, gemacht.
Durch die Messung der Bewegungen von fast 7500 Sternen im inneren Halo der Andromeda-Galaxie, auch bekannt als Messier 31 (M31), entdeckte das Team verräterische Muster in den Positionen und Bewegungen von Sternen, die zeigten, wie diese Sterne ihr Leben als Teil eines anderen begannen Galaxie, die vor etwa 2 Milliarden Jahren mit M31 verschmolzen ist. Während solche Muster seit langem theoretisch vorhergesagt wurden, wurden sie in keiner Galaxie so deutlich gesehen.
„Unsere neuen Beobachtungen des nächsten großen galaktischen Nachbarn der Milchstraße, der Andromeda-Galaxie, enthüllen bis ins kleinste Detail Beweise für ein galaktisches Einwanderungsereignis“, erklärte Arjun Dey, Astronom am NOIRLab der NSF und Hauptautor des Artikels, der diese Forschungsergebnisse vorstellt. „Obwohl der Nachthimmel unveränderlich erscheint, ist das Universum ein dynamischer Ort. Galaxien wie M31 und unsere Milchstraße wurden im Laufe der kosmischen Geschichte aus den Bausteinen vieler kleinerer Galaxien konstruiert.“
„Wir haben dies noch nie zuvor so deutlich in den Bewegungen von Sternen gesehen, noch hatten wir einige der Strukturen gesehen, die aus dieser Verschmelzung resultieren“, sagte Sergey Koposov, Astrophysiker an der Universität Edinburgh und Mitautor der Studie. „Unser aufkommendes Bild ist, dass die Geschichte der Andromeda-Galaxie der unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, ähnlich ist. Die inneren Halos beider Galaxien werden von einem einzigen Einwanderungsereignis dominiert.“
Diese Forschung beleuchtet nicht nur die Geschichte unserer galaktischen Nachbarn, sondern auch die Geschichte unserer eigenen Galaxie. Die meisten Sterne im Halo der Milchstraße wurden in einer anderen Galaxie gebildet und wanderten später bei einer galaktischen Verschmelzung vor 8–10 Milliarden Jahren in unsere eigene ein. Die Untersuchung der Relikte einer ähnlichen, aber jüngeren Galaxienverschmelzung in M31 gibt Astronomen einen Einblick in eines der wichtigsten Ereignisse in der Vergangenheit der Milchstraße.
Um die Migrationsgeschichte in M31 nachzuvollziehen, wandte sich das Team an DESI. DESI wurde konstruiert, um Millionen von Galaxien und Quasaren im nahen Universum zu kartieren, um die Wirkung der Dunklen Energie auf die Expansion des Universums zu messen. Es ist der leistungsstärkste Multi-Objekt-Durchmusterungs-Spektrograph der Welt und kann die Spektren von mehr als 100.000 Galaxien pro Nacht messen. Die erstklassigen Fähigkeiten von DESI können jedoch auch näher an der Heimat genutzt werden, und das Instrument war entscheidend für die Untersuchung von M31 durch das Team.
„Diese Wissenschaft hätte an keiner anderen Einrichtung der Welt durchgeführt werden können. Die erstaunliche Effizienz, der Durchsatz und das Sichtfeld von DESI machen es zum besten System der Welt, um eine Vermessung der Sterne in der Andromeda-Galaxie durchzuführen“, sagte Dey . „In nur wenigen Stunden Beobachtungszeit konnte DESI mehr als ein Jahrzehnt Spektroskopie mit viel größeren Teleskopen übertreffen.“
Obwohl das Mayall-Teleskop vor 50 Jahren fertiggestellt wurde (es erreichte 1973 das erste Licht), bleibt es dank kontinuierlicher Verbesserungen und modernster Instrumentierung eine astronomische Einrichtung von Weltklasse. „Fünfzig Jahre klingen nach einer langen Zeit, und naiverweise könnte man denken, dass dies die natürliche Lebensdauer einer Einrichtung ist“, sagte Co-Autorin Joan R. Najita, ebenfalls bei NOIRLab. „Aber mit Erneuerung und Wiederverwendung kann ein ehrwürdiges Teleskop wie das Mayall weiterhin erstaunliche Entdeckungen machen, obwohl es nach heutigen Maßstäben relativ klein ist.“
Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit zwei Studenten der Harvard University, Gabriel Maxemin und Joshua Josephy-Zack, durchgeführt, die über das Radcliffe Institute for Advanced Study mit dem Projekt verbunden waren. Najita war von 2021 bis 2022 Radcliffe Fellow.
Das Team plant nun, die beispiellosen Fähigkeiten von DESI und dem Mayall-Teleskop zu nutzen, um mehr von M31s abgelegenen Sternen zu erforschen, mit dem Ziel, seine Struktur und Einwanderungsgeschichte in beispiellosen Details aufzudecken.
„Es ist erstaunlich, dass wir in den Himmel blicken und Milliarden von Jahren Geschichte einer anderen Galaxie lesen können, wie sie in den Bewegungen ihrer Sterne geschrieben ist – jeder Stern erzählt einen Teil der Geschichte“, schloss Najita. „Unsere anfänglichen Beobachtungen übertrafen unsere kühnsten Erwartungen und wir hoffen nun, mit DESI eine Untersuchung des gesamten M31-Haloes durchführen zu können. Wer weiß, welche neuen Entdeckungen uns erwarten.“
Die Forschung ist in Vorbereitung Das Astrophysikalische Journal.
Mehr Informationen:
DESI-Beobachtungen der Andromeda-Galaxie: Aufschluss über die Einwanderungsgeschichte unseres nächsten Nachbarn, Das Astrophysikalische Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/aca5f8. Auf arXiv: doi.org/10.48550/arXiv.2208.11683