Zwerggalaxien nutzen eine Ruhephase von 10 Millionen Jahren, um Sterne zu produzieren

Wenn man sich massereiche Galaxien ansieht, in denen es von Sternen nur so wimmelt, könnte man meinen, dass es sich dabei um Sternenfabriken handelt, die leuchtende Gasbälle produzieren. Tatsächlich verfügen weniger entwickelte Zwerggalaxien jedoch über größere Regionen mit Sternenfabriken und höheren Sternentstehungsraten.

Jetzt haben Forscher der University of Michigan den Grund dafür herausgefunden: Diese Galaxien erfreuen sich einer Verzögerung von 10 Millionen Jahren beim Ausblasen des Gases, das ihre Umgebung verstopft. Sternentstehungsregionen sind in der Lage, ihr Gas und ihren Staub zu behalten, wodurch mehr Sterne verschmelzen und sich entwickeln können.

In diesen relativ unberührten Zwerggalaxien kollabieren massereiche Sterne – Sterne mit etwa der 20- bis 200-fachen Masse unserer Sonne – zu Schwarzen Löchern, anstatt als Supernovae zu explodieren. Aber in weiter entwickelten, verschmutzten Galaxien wie unserer Milchstraße ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sie explodieren und dadurch einen kollektiven Superwind erzeugen. Gas und Staub werden aus der Galaxie geschleudert und die Sternentstehung kommt schnell zum Stillstand.

Ihre Erkenntnisse sind veröffentlicht im Astrophysikalisches Journal.

„Wenn Sterne zur Supernova werden, verschmutzen sie ihre Umgebung, indem sie Metalle produzieren und freisetzen“, sagte Michelle Jecmen, Erstautorin der Studie und Forscherin im Grundstudium. „Wir argumentieren, dass es bei geringer Metallizität – Galaxienumgebungen, die relativ unverschmutzt sind – zu einer Verzögerung von 10 Millionen Jahren beim Beginn starker Superwinde kommt, was wiederum zu einer höheren Sternentstehung führt.“

Die UM-Forscher verweisen auf die sogenannte Hubble-Stimmgabel, ein Diagramm, das die Art und Weise darstellt, wie der Astronom Edwin Hubble Galaxien klassifizierte. Im Griff der Stimmgabel befinden sich die größten Galaxien. Riesig, rund und voller Sterne – diese Galaxien haben bereits ihr gesamtes Gas in Sterne verwandelt. Entlang der Zinken der Stimmgabel befinden sich Spiralgalaxien, deren kompakte Arme Gas- und Sternentstehungsregionen aufweisen. Am Ende der Stimmgabelzinken befinden sich die am wenigsten entwickelten, kleinsten Galaxien.

„Aber diese Zwerggalaxien haben genau diese wirklich Mondo-Sternenbildungsregionen“, sagte UM-Astronomin Sally Oey, leitende Autorin der Studie. „Es gab einige Ideen, warum das so ist, aber Michelles Entdeckung bietet eine sehr schöne Erklärung: Diese Galaxien haben Schwierigkeiten, ihre Sternentstehung zu stoppen, weil sie ihr Gas nicht wegblasen.“

Darüber hinaus biete diese 10 Millionen Jahre dauernde Ruheperiode den Astronomen die Möglichkeit, ähnliche Szenarien wie die kosmische Morgendämmerung zu beobachten, eine Zeitspanne unmittelbar nach dem Urknall, sagte Jecmen. In unberührten Zwerggalaxien verklumpt Gas und bildet Lücken, durch die Strahlung entweichen kann. Dieses bisher bekannte Phänomen wird als „Lattenzaun“-Modell bezeichnet, bei dem UV-Strahlung zwischen Lamellen im Zaun austritt. Die Verzögerung erklärt, warum das Gas Zeit hatte, sich zu verklumpen.

Ultraviolette Strahlung ist wichtig, weil sie Wasserstoff ionisiert – ein Prozess, der auch direkt nach dem Urknall stattfand und dazu führte, dass das Universum von undurchsichtig zu transparent wurde.

„Und so ähnelt die Betrachtung von Zwerggalaxien mit geringer Metallizität und viel UV-Strahlung in gewisser Weise dem Blick zurück in die kosmische Morgendämmerung“, sagte Jecmen. „Es ist so interessant, die Zeit in der Nähe des Urknalls zu verstehen. Es ist grundlegend für unser Wissen. Es ist etwas, das vor so langer Zeit passiert ist – es ist so faszinierend, dass wir ähnliche Situationen in Galaxien sehen können, die es heute gibt.“

Eine zweite Studie, veröffentlicht im Astrophysikalische Tagebuchbriefe und unter der Leitung von Oey nutzten das Hubble-Weltraumteleskop, um Mrk 71 zu untersuchen, eine Region in einer nahegelegenen Zwerggalaxie, die etwa 10 Millionen Lichtjahre entfernt ist. In Mrk 71 fand das Team Beobachtungsbeweise für Jecmens Szenario. Unter Verwendung einer neuen Technik mit dem Hubble-Weltraumteleskop verwendete das Team einen Filtersatz, der das Licht von dreifach ionisiertem Kohlenstoff untersucht.

In weiter entwickelten Galaxien mit vielen Supernova-Explosionen erhitzen diese Explosionen das Gas in einem Sternhaufen auf sehr hohe Temperaturen – bis zu Millionen Grad Kelvin, sagte Oey. Wenn sich dieser heiße Superwind ausdehnt, bläst er den Rest des Gases aus den Sternhaufen. Aber in Umgebungen mit geringer Metallizität wie Mrk 71, in denen keine Sterne explodieren, wird Energie innerhalb der Region abgestrahlt. Es hat keine Chance, einen Superwind zu bilden.

Die Filter des Teams erfassten ein diffuses Leuchten des ionisierten Kohlenstoffs im gesamten Mrk 71 und zeigten damit, dass die Energie abgestrahlt wird. Daher gibt es keinen heißen Superwind, sondern ermöglicht stattdessen, dass dichtes Gas in der gesamten Umgebung verbleibt.

Oey und Jecmen sagen, dass es viele Implikationen für ihre Arbeit gibt.

„Unsere Ergebnisse könnten auch wichtig sein, um die Eigenschaften von Galaxien zu erklären, die derzeit im kosmischen Morgengrauen vom James Webb-Weltraumteleskop beobachtet werden“, sagte Oey. „Ich denke, wir sind immer noch dabei, die Konsequenzen zu verstehen.“