Unsere Milchstraße ist voller riesiger Molekülwolken, die Sterne hervorbringen. Basierend auf dem, was wir hier sehen, gehen Astronomen davon aus, dass der Prozess der Sternentstehung auch in anderen Galaxien ähnlich abläuft. Das macht Sinn, da sich ihre Sterne irgendwie bilden müssen. Dank JWST haben Astronomen nun kleine Sternobjekte in einer 2,7 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie entdeckt. Das sind Millionen Lichtjahre weiter entfernt, als alle bisherigen Beobachtungen neu entstehender Sterne erreicht haben.
Die Ziele der JWST-Beobachtungen sind „junge Sternobjekte“ (YSOs) in der Triangulum-Galaxie (M33). Astronomen nutzten den Mittelinfrarot-Imager (MIRI) des Teleskops, um einen Abschnitt eines der Spiralarme von M33 auf der Suche nach YSOs zu untersuchen. Sie fanden 793 dieser Babysterne, die in riesigen Gas- und Staubwolken versteckt waren. Das ist eine wichtige Entdeckung, die darauf hinweist, dass die Prozesse der Sternentstehung, die wir in unserer Galaxie so gut kennen, so ablaufen, wie wir es von anderen erwarten.
Über junge Sternobjekte
Um diese Entdeckung in einen Zusammenhang zu bringen, werfen wir einen etwas detaillierteren Blick auf junge Sternobjekte. Im Allgemeinen handelt es sich dabei einfach um Sterne in den frühesten Phasen ihrer Entwicklung. Die Sternengeburt beginnt, wenn Materialien in einer riesigen Molekülwolke beginnen, durch die Schwerkraft „zusammenzuklumpen“. Der dichteste Teil des Klumpens wird dichter, die Temperaturen steigen und schließlich beginnt er zu leuchten.
Junge Sternobjekte können Protosterne sein, die noch immer Masse aus ihren riesigen Molekülwolken aufsaugen. Sie sind noch keine echten Sterne – das heißt, sie haben in ihrem Kern noch keine Fusion ausgelöst. Das wird vielleicht in einer halben Milliarde Jahren nicht passieren (mehr oder weniger, je nach Masse).
Sobald der Gaseinfall in einen jungen Sternkern abgeschlossen ist, wird das Objekt zu einem Vor-Hauptreihen-Sternobjekt. Es ist immer noch kein offizieller Star. Das passiert, wenn im Inneren des Sterns eine Fusion zündet. Dann wird es zu einem Hauptreihenstern. Im Allgemeinen hat es einen Großteil seiner Geburtswolke entfernt, was die Beobachtung erleichtert.
Entdeckung neu entstehender Sterne
Selbst in unserer Galaxie sind Sterne im frühesten Entstehungsstadium schwer zu beobachten. Zum einen verbergen ihre Geburtswolken diese jungen Sterne. Das macht es sehr schwierig, sie im sichtbaren Licht zu erkennen. Sobald sie jedoch warm genug sind, um zu leuchten, geben sie Infrarotstrahlung ab. Mit den richtigen Instrumenten können Astronomen dieses Licht leicht erkennen. Infrarotlicht ist ein wichtiges Werkzeug, mit dem Astronomen nach Gebieten suchen, in denen sich gerade Sterne zu bilden beginnen.
Wenn junge Sternobjekte „erwachsen“ werden, stoßen sie häufig Materialstrahlen aus. Diese Jets zeichnen sich durch Radioemissionen aus, die auch relativ leicht erkannt werden können. Diese Babysterne blasen auch Material in Form von Materialausflüssen ab, die als bipolare Flüsse bezeichnet werden. Astronomen entdecken diese, indem sie nach Hinweisen auf heißen molekularen Wasserstoff oder warme Kohlenmonoxidmoleküle suchen – wiederum im Infrarotwellenlängenbereich. Im Allgemeinen gehen diese bipolaren Strömungen von den allerjüngsten Objekten aus, die weniger als 10.000 Jahre alt sind.
Viele junge Sterne sind von zirkumstellaren Scheiben umgeben. Diese sind Teil der Wolke, die den Stern gebildet hat und ihm weiterhin Material zuführt. Letztendlich wird diese Scheibe zum Ort der Planetenentstehung, weshalb Astronomen sie oft als „protoplanetare Scheiben“ oder „Proplyden“ bezeichnen. Diese Scheiben werden im sichtbaren und infraroten Licht von verschiedenen boden- und weltraumgestützten Observatorien beobachtet.
Alle diese Erscheinungsformen der Sternentstehung gibt es in unserer Galaxie, insbesondere in den Spiralarmen, und Astronomen haben viele davon katalogisiert. Eines der bekanntesten Beispiele ist der Orionnebel. Es beherbergt eine Reihe dieser Sternkinder, komplett mit protoplanetaren Scheiben, Jets und bipolaren Ausflüssen.
Ein besonderes Objekt namens YSO 244-440 ist Teil des Orionnebelhaufens, einer Ansammlung sehr junger Sterne. Dieses Sternkind ist immer noch in der zirkumstellaren Scheibe verborgen, die es hervorgebracht hat. Anfang 2023 gaben Astronomen mit dem Very Large Telescope in Chile bekannt, dass sie einen Jet beobachtet hatten, der von diesem Objekt ausging.
Darüber hinaus nutzten Astronomen das Spitzer-Weltraumteleskop, um diese Objekte in der Großen Magellanschen Wolke, einer Satellitengalaxie der Milchstraße, zu beobachten. Sie haben in den Spitzer-Daten mindestens tausend YSO-Kandidaten entdeckt und konnten so den Prozess der Sternentstehung außerhalb unserer Milchstraße verfolgen.
Suche nach neu entstehenden Sternen in anderen Galaxien
Astronomen möchten den Prozess der Sternentstehung in anderen Galaxien verstehen, da jede Galaxie eine einzigartige chemische Umgebung und Evolutionsgeschichte aufweist. Die Sternentstehung trägt dazu bei, die Geschichte der Galaxienentwicklung zu ergänzen. Deshalb ist es so wichtig, in anderen Galaxien nach YSOs zu suchen.
Bisher war es nahezu unmöglich, außerhalb unserer unmittelbaren galaktischen Nachbarschaft nach jungen Sternen zu suchen. Um sie zu entdecken, sind sehr hochauflösende Bildgebungs- und Infraroterkennungsfunktionen erforderlich, um diese Babysterne von ihren Geburtswolken unterscheiden zu können. Wie in der Milchstraße absorbiert die Wolke, die die jungen Sterne umgibt, ihre sichtbaren Lichtemissionen.
Wenn Sie außerdem mehrere davon in einer Wolke haben, kann es auf große Entfernungen unmöglich sein, sie voneinander zu unterscheiden. Teleskope wie Spitzer, Herschel und bodengestützte Observatorien verfügen nicht über die hochauflösende Fähigkeit, alle YSOs außerhalb der Großen Magellanschen Wolke zu erkennen.
Hier kommt JWST zum Einsatz. Es verfügt über eine hohe Auflösung und ist infrarotempfindlich, was es Astronomen ermöglicht, Sternentstehungsregionen in größeren Entfernungen zu untersuchen. Deshalb nutzte ein Beobachterteam das Teleskop, um die Triangulum-Galaxie zu untersuchen. Sie ist der Großen Magellanschen Wolke hinsichtlich der Anzahl ihrer Sterne, ihrer Metallizität und ihrer Größe sehr ähnlich. Im Gegensatz zum LMC verfügt M33 jedoch über geschwollene Spiralarme, die Sternentstehungsregionen in riesigen Molekülwolken beherbergen. Es war also ein perfektes Ziel.
Das Team nutzte das MIRI-Instrument, um einen 5,5 Kiloparsec großen Abschnitt der südlichen Spiralarme von M33 zu untersuchen. Sie nutzten zuvor durchgeführte HST-Beobachtungen, um wahrscheinliche Standorte von YSOs im Arm zu identifizieren. Dann konzentrierten sie JWST auf diese Websites. Das Ergebnis ist ein umfangreicher Katalog von fast 800 einzelnen YSO-Kandidaten, die sie anschließend analysiert haben.
Analyse der YSOs in der Triangulum-Galaxie
Nachdem sie die Beobachtungen geordnet und ihre Ergebnisse klassifiziert hatten, kamen die Astronomen zu einigen interessanten Schlussfolgerungen über die Sternentstehung in M33. Sie fanden heraus, dass die massereichsten riesigen Molekülwolken dort sehr viele junge Sternobjektkandidaten beherbergen.
Die Zahlen ähneln in etwa denen, die man in ähnlichen Wolken in der Milchstraße sieht. Der von ihnen untersuchte Spiralarm scheint über einen sehr effizienten Sternentstehungsmechanismus zu verfügen, der nicht unbedingt mit der Masse der dortigen riesigen Molekülwolken korreliert. Sie versuchen immer noch herauszufinden, warum der Spiralarm so ein Sternentstehungsmotor ist.
Es ist möglich, dass wir selbst mit JWST nicht in die frühesten Phasen der Sternentstehung in diesem Abschnitt des Spiralarms der Triangulum-Galaxie blicken. Es ist auch wahrscheinlich, dass sich die Spiralarme von M33 (die als „flockig“ beschrieben werden) in mehrfacher Hinsicht von den Spiralarmen der Milchstraße unterscheiden (zum Beispiel).
Ausflockungen könnten durch mehrere Episoden der Sternentstehung verursacht werden, die die Struktur der Gas- und Staubwolken im Inneren beeinflussen. Die Spiralarme unserer eigenen Galaxie sind ziemlich gut definiert und sicherlich weniger flockig als die von M33. Das könnte auf einen evolutionären Wandel hinweisen, der stattfindet, wenn eine Galaxie ihre Sternentstehungsaktivitäten fortsetzt. Die Astronomen vermuten außerdem, dass die Region zwischen den Spiralarmen, die sie in M33 untersucht haben, im Hinblick auf die Sternenproduktion nicht so effizient ist.
Da dies ein „erster Blick“ auf die Sternentstehung in einer fernen Galaxie ist, werden Astronomen diese Beobachtungen nutzen, um zu modellieren, was ihrer Meinung nach in M33 passiert. Letztendlich sollten sie in der Lage sein, das Gelernte zu nutzen, um sehr genaue Schätzungen darüber anzustellen, wie viel Sternentstehung in der von ihnen untersuchten Region stattfindet. Schließlich sollten sie in der Lage sein, diese Sternentstehungsrate auf andere Arme in M33 zu extrapolieren. Das sollte ihnen dringend benötigte Einblicke in den Entwicklungsstand und die Geschichte dieser Galaxie geben.