Rekonstruktion der Sicht eines außerirdischen Astronomen auf die Chemie unserer Heimatgalaxie

Forscher haben rekonstruiert, was außerirdische Astronomen, die unsere Milchstraße aus der Ferne beobachten, finden würden, wenn sie die chemische Zusammensetzung unserer Heimatgalaxie analysieren würden. Die von Forschern des Max-Planck-Instituts für Astronomie geleitete Studie ist für unser eigenes Verständnis des Kosmos relevant: Sie ermöglicht einen neuen Vergleich zwischen unserer Heimatgalaxie und den vielen entfernten Galaxien, die wir von außen beobachten. Die Ergebnisse liefern einen Teil der Antwort auf die alte Frage, ob unsere Heimatgalaxie etwas Besonderes ist: Zumindest was die chemische Zusammensetzung betrifft, ist die Milchstraße ungewöhnlich, aber nicht einzigartig.

Wir sehen entfernte Galaxien von außen: Teleskopbeobachtungen zeigen uns die Form einer Galaxie und ihr Spektrum (die regenbogenartige Zerlegung des Lichts einer Galaxie). Wie würde also unsere eigene Galaxie aus dieser Perspektive für einen entfernten, außerirdischen Astronomen aussehen? Das ist eine täuschend einfache Frage. Schließlich haben Astronomen hier auf der Erde ziemlich geniale Methoden entwickelt, um aus unseren Beobachtungen auf die Eigenschaften einer Galaxie zu schließen, und außerirdische Astronomen werden wahrscheinlich eine ähnlich raffinierte Sicht auf die Milchstraße haben.

Bei den ausgefeilteren Analysemethoden ist es gar nicht so einfach zu sagen, was außerirdische Astronomen finden würden, wenn sie diese Methoden auf unsere Heimatgalaxie anwenden würden. Aber der Gewinn kann beträchtlich sein. Jianhui Lian (Max-Planck-Institut für Astronomie und Yunnan-Universität), der Hauptautor der jetzt veröffentlichten Studie Naturastronomiesagt: „Wir brauchen Möglichkeiten, unsere Heimatgalaxie mit weiter entfernten Galaxien zu vergleichen, wenn wir wissen wollen, ob die Milchstraße etwas Besonderes ist oder nicht.“ Dies ist eine offene Frage, seit Astronomen vor hundert Jahren erkannten, dass die Milchstraße ist nicht die einzige Galaxie im Universum.

Große Fortschritte bei Daten und Simulationen

So alt die Frage auch sein mag, es sieht so aus, als ob die Astronomie derzeit in einer guten Position ist, eine solide Antwort zu finden. Zum einen gab es im letzten Jahrzehnt oder so enorme Fortschritte bei der systematischen Erforschung unserer Heimatgalaxie. Es gab Umfragen wie APOGEE, die Informationen über die chemische Zusammensetzung, die physikalischen Eigenschaften und die 3D-Bewegungen von Millionen einzelner Sterne in unserer Milchstraße lieferten, die aus ihren Spektren abgeleitet wurden. Die Raumsonde Gaia der ESA hat die Helligkeit, Bewegung und Entfernung von fast 1,5 Milliarden Sternen in unserer Heimatgalaxie verfolgt.

Auch für entfernte Galaxien gibt es viel mehr und viel bessere Daten. Die MaNGA-Durchmusterung untersuchte fast 10.000 Galaxien eingehend. Während frühere Untersuchungen, die auf so viele Galaxien abzielten, nur ein Gesamtspektrum pro Galaxie lieferten, zeichnet MaNGA ein „Spektralbild“, das zeigt, wie beispielsweise die chemische Zusammensetzung jeder Galaxie vom Zentrum bis zu den äußeren Regionen variiert.

Nicht zuletzt gibt es mittlerweile moderne Simulationen der Galaxienentstehung und -entwicklung, wie z TNG50-Simulation das die Geschichte Tausender Galaxien in einem Modelluniversum von der Zeit nach dem Urknall bis zur Gegenwart verfolgt. All diese Entwicklungen waren notwendig, damit wir vorhersagen konnten, was außerirdische Astronomen sehen würden, wenn sie ihre Teleskope auf die Milchstraße richteten und versuchten, die chemische Zusammensetzung der Galaxie zu rekonstruieren.

Außerirdische Astronomen hinterfragen

Genau das hat eine neue Studie unter der Leitung von Lian und Maria Bergemann (Max-Planck-Institut für Astronomie) ergeben. Konkret betrachteten Lian, Bergemann und ihre Kollegen die chemische Zusammensetzung von Sternen. Die Sterne, die wir um uns herum sehen, bestehen größtenteils aus Wasserstoff und Helium, aber es gibt ein paar Elemente, die schwerer als Helium sind – Elemente, die in der Astronomie (aber nicht in der gewöhnlichen Chemie!) „Metalle“ genannt werden.

Einige dieser Metalle werden im Inneren von Sternen produziert und in den Weltraum geschleudert, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens explodieren. Andere entstehen in den äußeren Schichten aufgeblähter Riesensterne und werden von dort aus in den Weltraum treiben. Und am wichtigsten ist, dass es einen allgemeinen Trend gibt: Die Konzentration von Metallen im interstellaren Medium – der Mischung aus Gas und Staub geringer Dichte, die den Raum zwischen den Sternen füllt – nimmt mit der Zeit zu. Früher geborene Sterne enthalten weniger Metalle, später geborene Sterne enthalten mehr. Wenn Sie herausfinden, welche Regionen einer Galaxie Sterne mit weniger oder mit mehr Metallen haben, erfahren Sie, in welcher Region ihre Sterne früher und in welcher später entstanden sind.

Von der lokalen Kosmologie zur außerirdischen Perspektive

Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist derzeit die einzige Spiralgalaxie, in der wir direkt eine groß angelegte Untersuchung einzelner Sterne durchführen können – ihre Position innerhalb unserer Galaxie und über ihre Spektren ihren Metallgehalt, ihre Oberflächentemperatur und andere physikalische Eigenschaften messen Eigenschaften. Lian, Bergemann und ihre Kollegen wollten rekonstruieren, was außerirdische Astronomen sehen würden, wenn sie die Verbreitung von Metallen in der Milchstraße kartieren würden. Da unsere Heimatgalaxie eine Scheibengalaxie ist, lautet die Schlüsselfrage: Wie würde ein entfernter außerirdischer Astronom erkennen, dass die Häufigkeit von Metallen abhängig von der Entfernung einer Region vom Zentrum unserer Galaxie variiert?

Eine solche Rekonstruktion erfordert Arbeit. Die Daten der APOGEE-Umfrage waren nur der Ausgangspunkt. Als nächstes mussten die Forscher die Tatsache berücksichtigen, dass wir von der Erde aus eine „verschwommene“ Sicht auf die Milchstraße haben: In einigen Richtungen wird es mehr Staub zwischen uns und weiter entfernten Sternen geben, was das Sternenlicht schwächt und einige davon verdeckt die dunkelsten Sterne überhaupt. In anderen Richtungen wird es weniger Staub geben. Die Forscher mussten die Beobachtungsdaten mit unserem Wissen über Staub und die Eigenschaften von Sternen kombinieren, um die tatsächliche Verteilung der Sterne in unserer Galaxie zu rekonstruieren.

Der hochmetallische „Gürtel“ unserer Galaxie

Die Ergebnisse waren etwas überraschend. Verfolgt man den durchschnittlichen Metallgehalt von Sternen vom Galaxienzentrum nach außen, steigt er an und erreicht in einer Entfernung von etwa 23.000 Lichtjahren vom Zentrum einen Metallgehalt nahe dem unserer Sonne. (Zum Vergleich: Unsere Sonne ist etwa 26.000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt.) In noch größerer Entfernung sinkt der durchschnittliche Metallgehalt wieder und sinkt in etwa 50.000 Lichtjahren Entfernung auf etwa ein Drittel des Sonnenwertes Center.

Um zu verstehen, was vor sich ging, untersuchten die Forscher anschließend Sterne verschiedener Altersgruppen separat – die APOGEE-Spektren ermöglichen zumindest eine grobe Schätzung des Sternalters. Bei der getrennten Betrachtung jüngerer und älterer Stars stellten sie fest, dass jede Altersgruppe im Grunde einem ungebrochenen Trend folgte, mit einem höheren Metallgehalt näher am Zentrum und einem niedrigeren Gehalt weiter draußen. Der Anstieg und das Maximum der Gesamtverteilung waren ausschließlich darauf zurückzuführen, dass ältere Sterne (mit viel geringerem Metallgehalt) in der Nähe des galaktischen Zentrums häufiger vorkommen und somit den Gesamtdurchschnitt nach unten drückten, während jüngere Sterne weiter draußen häufiger auftraten.

Vergleich unserer Milchstraße mit anderen Galaxien

Lian, Bergemann und ihre Kollegen verglichen dieses interessante Ergebnis mit den Eigenschaften anderer Galaxien. Einerseits berücksichtigten sie in der MaNGA-Durchmusterung 321 Galaxien, die alle ähnliche Massen wie die Milchstraße haben, ähnliche Mengen an Sternen produzieren und alle von vorne sichtbar sind, sodass die Änderung der durchschnittlichen Metallizität gemessen werden konnte. Andererseits verwendeten die Forscher dieselben Kriterien, um 134 milchstraßenähnliche Galaxien im Modelluniversum der TNG50-Simulation zu identifizieren.

Wie besonders ist also unsere Heimatgalaxie – oder nicht? Die Antwort der vorliegenden Studie: Was die Verteilung der Metallhäufigkeiten angeht, ist unsere Milchstraße ungewöhnlich, aber nicht einzigartig. Nur 11 % der Galaxien in der TNG50-Probe und etwa 1 % der Galaxien in der MaNGA-Probe zeigten ein ähnliches Auf und Ab der durchschnittlichen Metallizität. Die Diskrepanz zwischen 11 % und 1 % ist wahrscheinlich auf eine Kombination aus Unsicherheiten in den MaNGA-Daten und der Einschränkung realistischer Simulationen im TNG50-Modelluniversum zurückzuführen.

Darüber hinaus ist in den äußeren Regionen der Rückgang der durchschnittlichen Metallizität mit zunehmender Entfernung vom Zentrum bei der Milchstraße im Vergleich zu den MaNGA- und TNG50-Galaxien etwas steiler.

Die Frage nach dem „Warum“

Warum hat die Milchstraße diese ungewöhnlichen Eigenschaften und was bedeuten diese Eigenschaften für die Entstehungsgeschichte unserer Heimatgalaxie? Es gibt mehrere Möglichkeiten, die relative Knappheit metallreicher Sterne in der Nähe des galaktischen Zentrums zu erklären. Dieses Merkmal könnte mit der Bildung des sogenannten Bulge zusammenhängen, einer annähernd kugelförmigen Region eines älteren Sterns, die das galaktische Zentrum in einer Entfernung von etwa 5.000 Lichtjahren umgibt. Die Bildung einer Ausbuchtung hätte den größten Teil des verfügbaren Wasserstoffgases verbraucht, was die spätere Sternentstehung erheblich erschwert hätte. Alternativ könnte die Knappheit mit einer aktiven Phase zusammenhängen, in der das zentrale supermassereiche Schwarze Loch unserer Galaxie Partikel und Strahlung aus seiner unmittelbaren Nachbarschaft ausspuckte und so die Sternentstehung verhinderte.

Die Metallizität in den äußeren Regionen lässt sich durch mehrere Szenarien erklären, die die Gasentwicklung in unserer Heimatgalaxie mit der Geschichte der Sternentstehung in der galaktischen Scheibe verbinden. Der steile Rückgang könnte das Zeichen einer ungewöhnlichen Episode in der Geschichte unserer Galaxie sein – sagen wir, dass unsere Heimatgalaxie eine kleinere Galaxie mit Gas „verschluckt“, das nur sehr wenige Metalle enthielt. Dieses Gas hätte später als Rohstoff für die Entstehung von Sternen mit weniger Metallen in der Scheibe gedient. Es ist auch möglich, dass unsere Schätzung der Ausdehnung der Sternscheibe der Milchstraße falsch ist und dass dieser Fehler den Vergleich mit anderen Galaxien verzerrt, wenn es darum geht, wie steil die Abnahme ist.

Ausblick

Maria Bergemann sagt: „Die Ergebnisse sind sehr spannend! Dies ist das erste Mal, dass wir den detaillierten chemischen Inhalt unserer Galaxie sinnvoll mit den Messungen vieler anderer Galaxien vergleichen können. Die Ergebnisse sind wichtig für die nächste Generation umfassender Studien zur Galaxienentstehung.“ . Diese Studien werden Daten aus bevorstehenden groß angelegten Beobachtungsprogrammen nutzen, die auf die Milchstraße oder entfernte Galaxien abzielen. Unsere Forschung zeigt, wie man die beiden Arten von Datensätzen sinnvoll kombinieren kann.“

Insgesamt wirft die hier beschriebene Forschung eine Reihe interessanter Fragen auf. Mit neuen Durchmusterungen und neuen Studien, die die Perspektive eines „außerirdischen Astronomen“ untersuchen, können wir hoffen, Antworten zu finden und dabei die Geschichte unserer Heimatgalaxie besser zu verstehen.