In der chaotischen Umgebung offener Sternhaufen können starke Gravitationswechselwirkungen zwischen Körpern einzelne Sterne weit außerhalb des Sternhaufens schleudern, sogar außerhalb unserer Galaxie, der Milchstraße. Jetzt haben Forscher zum ersten Mal mehrere dieser Sterne, die außerhalb der Galaxienscheibe existieren, mithilfe neuer Daten der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation den Clustern ihres Ursprungs zugeordnet.
Forscher der Lehigh University stellten heute in einer Pressekonferenz die Ergebnisse „Stellar Paternity Tests: Matching High-Latitude B Stars to the Open Clusters of Their Birth“ vor 243. Treffen der American Astronomical Society (AAS) in New Orleans.
„Indem wir sie in der Zeit zurückverfolgen, um herauszufinden, wo sie entstanden sind, können wir 15 von ihnen den Sternhaufen zuordnen, in denen sie geboren wurden“, sagte M. Virginia (Ginny) McSwain, außerordentliche Professorin für Physik an der Lehigh University. „Wenn wir mit hoher Sicherheit sagen können, woher einige dieser Sterne stammen, werden wir mehr über die Geschichte der Sternhaufen in der Milchstraße erfahren.“
Die meisten Sterne außerhalb der dünnen Scheibe der Milchstraße, zu der auch die Spiralarme mit einem dickeren Durchmesser im Zentrum gehören, sind mehr als acht Milliarden Jahre alt und entstanden früh in der Geschichte der Galaxie. Angesichts ihres hohen Alters ist es nicht verwunderlich, dass sie weit von ihren Geburtsorten entfernt sind.
Da fast die gesamte Sternentstehung unserer Galaxie in der dünnen Scheibe stattfindet, sind heiße B-Sterne außerhalb dieser Region selten zu finden. Doch eine kleine Anzahl dieser jungen Sterne – schätzungsweise 10 bis 100 Millionen Jahre alt – findet man in großen Höhen über und unter der Scheibe und wurde wahrscheinlich in den letzten paar Millionen Jahren aus den Sternhaufen herausgeschleudert, in denen sie entstanden sind.
„Heiße Sterne wagen sich nicht oft aus der Scheibe heraus, wenn sie es also tun, sind sie merklich fehl am Platz“, sagte Brandon Schweers, ein Student an der Lehigh University, der wichtige Forschungsergebnisse für das Projekt lieferte. „Die ‚Eltern‘-Haufen haben wahrscheinlich die meisten dieser B-Sterne ausgeworfen, als enge Drei- oder Vierkörper-Gravitationswechselwirkungen ein Mitglied des Haufens herausschleuderten und es aus der Ebene der Milchstraße davonlaufen ließen.“
Ein untersuchter Stern sei mit besonders hoher Geschwindigkeit herausgeschleudert worden, so dass er möglicherweise während einer Supernova in einem nahegelegenen Doppelsternsystem ausgeschleudert worden sei, sagte Schweers, ein Student im Abschlussjahr der Astrophysik. Sterne können sogar herausgeschleudert werden, nur um dann zurückzuschwingen und wieder herausgeschleudert zu werden.
Obwohl diese „verwaisten“ Sterne seit zwei Jahrzehnten bekannt sind, konnte bisher noch keiner ihrem Ursprungsort zugeordnet werden, da keine qualitativ hochwertigen Daten verfügbar waren, um sie bis zu ihren Anfängen zurückzuverfolgen. Mit den Daten der Gaia-Mission konnten die Forscher die Bewegungen der Sterne jedoch genauer entschlüsseln als bisher.
Der Weg von 95 Sternen, beginnend vor 30 Millionen Jahren bis heute. Bildnachweis: B. Schweers, Lehigh University
Mithilfe von Flugbahnen die Zeit zurückverfolgen
Die 2013 gestartete Gaia-Mission hat zum Ziel, mehr als eine Milliarde Sterne in der Milchstraße zu untersuchen und eine präzise dreidimensionale Karte der Galaxie zu erstellen. Die Daten umfassen beispiellose Positionsmessungen für Sterne und Radialgeschwindigkeitsmessungen für die hellsten 150 Millionen Objekte.
Basierend auf den im Jahr 2022 veröffentlichten Gaia-Daten verfolgten Lehigh-Forscher die kinematischen Flugbahnen von 95 B-Sternen in hohen Breitengraden und etwa 1.400 bekannten offenen Galaxienhaufen, um Zeitpunkte in der Vergangenheit zu identifizieren, in denen sie sich möglicherweise gekreuzt haben und ein Auswurf stattgefunden haben könnte.
„Anhand ihrer 3D-Positionen und 3D-Geschwindigkeiten durch den Raum konnten wir die Flugbahnen jedes Sternhaufens und Sterns in hohen Breitengraden in den letzten 30 Millionen Jahren berechnen“, sagte McSwain. Sie verwendeten das Open-Source-Python-Galpy-Paket für die Analyse der galaktischen Dynamik, um das Gravitationsfeld der Galaxie an jedem Punkt zu modellieren.
Nachdem sie potenzielle Übereinstimmungen identifiziert hatten, verglichen sie die Farbe und Helligkeit jedes ausgeworfenen Sterns mit dem Hertzsprung-Russell-Diagramm (HR), einem Farbmagnitudendiagramm, für jeden offenen Sternhaufen. Ein offener Sternhaufen besteht im Allgemeinen aus Tausenden von Sternen gleichen Alters und gleicher Zusammensetzung in gleicher Entfernung.
„Die Form des HR-Diagramms hängt größtenteils vom Alter des Sternhaufens ab, sodass wir erkennen können, ob der ausgestoßene Stern ein ähnliches Alter wie seine potenziellen Sternhaufen-Geschwister hat“, sagte McSwain. Durch die Anwendung des HR-Tests konnte die Liste potenzieller Übereinstimmungen weiter eingegrenzt werden.
Abschließend analysierten sie die Kerndichten jedes Clusters, das möglicherweise übereinstimmte. Cluster mit höherer Dichte weisen stärkere Gravitationswechselwirkungen zwischen ihren Mitgliedern auf, die ihnen das größte Potenzial für den Auswurf von Sternen verleihen.
Vaterschaftstests fallen positiv aus
Durch die Kombination dieser Tools bestätigten die Forscher positive Vaterschaftsübereinstimmungen für 15 verwaiste Stars. Diese galaktische genealogische Spur brachte Schweers auf die Idee für den Titel der Präsentation.
„Als ich die Phase erreichte, in der ich die Farbe und Helligkeit der potenziellen Übereinstimmungen verglich und diejenigen verwarf, die in den HR-Diagrammen eine schlechte Korrelation zeigten, hatte ich das Gefühl, als würde ich die ‚DNA‘ der verwaisten Sterne und ihrer potenziellen Geschwister vergleichen.“ Sagte Schweers und erinnerte ihn an „The Maury Povich Show“.
„Ich denke, jeder hat das Sprichwort ‚Du bist nicht der Vater‘ gehört, das aus dieser Show stammt. Bei vielen dieser Sternhaufen habe ich ihnen im Wesentlichen gesagt, dass sie nicht die Eltern dieser verwaisten Sterne sind, also habe ich mir den Namen ausgedacht.“ „Hervorragende Vaterschaftstests“, sagte er.
Basierend auf ihren Flugbahnberechnungen schätzen die Forscher, dass die Auswürfe vor etwa 5 bis 30 Millionen Jahren stattfanden und „verlassene Sterne mit Geschwindigkeiten von 30 bis 220 Kilometern pro Sekunde (67.000 bis 490.000 Meilen pro Stunde) durch die Milchstraße an ihre heutigen Standorte schleuderten“. ,“ Sie schrieben. „Unsere Ergebnisse liefern ein Maß für das Auswurfalter jedes verwaisten Sterns und liefern neue Einblicke in die relative Bedeutung des dynamischen Auswurfs im Vergleich zum Supernova-Auswurf in jungen offenen Sternhaufen.“
Zwar konnten sie eine Reihe weit entfernter Sterne zuordnen, einige ließen sich jedoch nicht sehr plausibel auf die Scheibe der Milchstraße zurückführen, was Hinweise auf andere ungewöhnliche Szenarien liefern könnte, fügten sie hinzu. Dazu könnten seltene Sternentstehungen in Molekülwolken hoch außerhalb der Scheibe gehören, oder es könnte sich um Relikte früherer Zwerggalaxien handeln, die in der Vergangenheit mit der Milchstraße verschmolzen sind.
Der Astrophysikstudent Christopher J. Aviles Bramer, der 2022 seinen Abschluss machte, trug zu dem Forschungsprojekt bei.