Astronomen lesen erstmals die Geschichte einer fremden Galaxie
Neue Studie zeigt, wie sich die Vergangenheit einer Galaxie aus Sauerstoffmustern ableiten lässt. Das könnte auch den Blick auf die Milchstraße verändern.
Die künstlerische Darstellung zeigt die riesige Spiralgalaxie NGC 1365 bei der Kollision und Verschmelzung mit einer kleineren Begleitgalaxie, wodurch die Sternentstehung angeregt und Gas sowie schwere Elemente neu verteilt werden. Mithilfe einer neuen Technik der „Weltraumarchäologie“, die die chemischen Fingerabdrücke im Gas der Galaxie ausliest, haben Astronomen rekonstruiert, wie NGC 1365 über einen Zeitraum von 12 Milliarden Jahren gewachsen ist.
Foto: Melissa Weiss/CfA
Astronominnen und Astronomen ist es erstmals gelungen, die Entwicklung einer fremden Galaxie mit hoher Detailgenauigkeit nachzuzeichnen. Im Fokus steht die Spiralgalaxie NGC 1365. Ihre chemische Struktur liefert Hinweise darauf, wie sie über Milliarden Jahre gewachsen ist.
Ein Team um das Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian hat NGC 1365 untersucht und aus der Verteilung schwerer Elemente eine Art Lebenslauf der Galaxie abgeleitet. Die Studie ist in Nature Astronomy erschienen. Sie beschreibt einen Ansatz, den die Beteiligten als „extragalaktische Archäologie“ bezeichnen. Gemeint ist eine Spurensuche im Gas der Galaxie, nicht in Gestein oder Fossilien.
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Chemische Spuren zeigen die Vergangenheit
Im Fall von NGC 1365 spielte vor allem Sauerstoff eine zentrale Rolle. Das ist kein Zufall. Schwere Elemente entstehen in Sternen und gelangen später durch Sternexplosionen wieder ins umgebende Gas. Wo heute viel Sauerstoff nachweisbar ist, haben über lange Zeit viele Sterne gelebt und ihre Umgebung chemisch verändert.
Lisa Kewley, Hauptautorin der Studie und Direktorin des Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, sagt: „Dies ist das erste Mal, dass eine Methode der chemischen Archäologie mit solch hoher Detailgenauigkeit außerhalb unserer eigenen Galaxie angewendet wurde.“ Das Ziel geht für sie über die Analyse eines einzelnen Objekts hinaus. Kewley formuliert es so: „Wir wollen verstehen, wie wir hierhergekommen sind.“
Die Galaxie wuchs nicht gleichmäßig
Möglich wurde die Analyse durch Beobachtungsdaten aus der TYPHOON-Durchmusterung. Diese lieferten eine so hohe räumliche Auflösung, dass das Team einzelne sternbildende Gaswolken in NGC 1365 voneinander trennen und gezielt untersuchen konnte. Das ist wichtig, weil junge, heiße Sterne ihre Umgebung mit ultraviolettem Licht anregen. Das Gas sendet dann charakteristische Spektrallinien aus. An diesen schmalen Lichtsignalen lässt sich ablesen, welche Elemente vorhanden sind und in welcher Menge.
Solche chemischen Karten zeigen mehr als nur den aktuellen Zustand. Sie verraten auch, wie eine Galaxie aufgebaut wurde. Bekannt ist schon länger, dass viele Galaxien in ihren Zentren mehr schwere Elemente enthalten als an ihren Außenrändern. Dieses Muster hängt davon ab, wann und wo Sterne entstanden, wie oft Supernovae Material verteilt haben, ob Gas von außen einströmte oder hinausgedrückt wurde und ob kleinere Nachbargalaxien mit der Galaxie verschmolzen sind.
Sechs Ansichten der Spiralgalaxie NGC 1365, die aus dem spektrometrisk-photometrischen Datenwürfel extrahiert wurden, der im Rahmen des TYPHOON-Projekts erstellt wurde. Ganz links ist ein Breitbandbild der Galaxie zu sehen, bei dem die Kontinuumbilder der Wellenlängen B (Blau), V (Visuell) und R (Rot) so aufeinander abgestimmt wurden, dass sie dem menschlichen Sehbild möglichst nahekommen. Das nächste Bild ist ein Schmalbandbild, das aus dem TYPHOON-Datenwürfel extrahiert wurde und auf die H-alpha-Linie von ionisiertem Wasserstoff zentriert ist. Einzelne HII-Regionen, die von heißen, hochleuchtkräftigen OB-Sternen angetrieben werden, sind deutlich zu erkennen und umreißen die beiden massereichen Spiralarme. Die nächsten drei Bilder sind Ausschnitte, die auf andere diagnostische Emissionslinien zentriert sind (Stickstoff, Schwefel und eine Zusammensetzung aller drei diagnostischen Emissionslinien). Das letzte Bild zeigt das farbcodierte Geschwindigkeitsfeld von NGC 1365. Foto: B. Madore, The Observatories, Carnegie Institution for Science
Sauerstoffmuster mit Simulationen verglichen
Genau diese Zusammenhänge nutzte das Team. Es verglich die gemessenen Sauerstoffmuster von NGC 1365 mit modernen Galaxiensimulationen aus dem Illustris-Projekt. Diese Modelle bilden über kosmische Zeiträume hinweg ab, wie sich Gas bewegt, Sterne entstehen, Schwarze Löcher wirken und sich die chemische Zusammensetzung verändert.
Laut dem Forschungsteam wurden rund 20.000 simulierte Galaxien durchsucht, bis sich ein besonders passendes Gegenstück zu NGC 1365 fand. Gesucht wurde nach einem Entwicklungsverlauf, der am Ende dieselben chemischen Muster zeigt wie die beobachtete Galaxie. Daraus ließ sich die wahrscheinlichste Wachstumsgeschichte ableiten.
Das Ergebnis: Der zentrale Bereich von NGC 1365 entstand früh und reicherte sich rasch mit Sauerstoff an. Die äußeren Bereiche kamen deutlich später hinzu. Sie wurden über etwa 12 Milliarden Jahre durch die Aufnahme kleinerer Zwerggalaxien und deren Gas mit aufgebaut. Auch die äußeren Spiralarme scheinen vergleichsweise spät gewachsen zu sein und wurden wohl ebenfalls durch Gas und Sterne aus kleineren verschmelzenden Galaxien gespeist.
Warum das für die Milchstraße wichtig ist
NGC 1365 ist keine exakte Kopie der Milchstraße, aber als große Spiralgalaxie ein aufschlussreicher Vergleichsfall. Gerade deshalb ist die Arbeit mehr als eine Fallstudie zu einem einzelnen Objekt. Sie liefert eine Methode, mit der sich künftig viele Galaxien auf ähnliche Weise untersuchen lassen.
Lars Hernquist von der Harvard University sagt: „Es ist sehr spannend zu sehen, dass unsere Simulationen so gut mit den Daten einer anderen Galaxie übereinstimmen.“ Und weiter: „Diese Studie zeigt, dass die astronomischen Prozesse, die wir am Computer modellieren, Galaxien wie NGC 1365 über Milliarden von Jahren hinweg formen.“
Der eigentliche Wert der Arbeit liegt nicht nur in der Geschichte von NGC 1365. Interessant ist vor allem die Methode. Wenn sich chemische Fingerabdrücke in anderen Galaxien ähnlich präzise vermessen lassen, könnten Forschende künftig systematisch vergleichen, ob Spiralgalaxien typischerweise ähnlich entstehen oder ob unsere Milchstraße eher ein Sonderfall ist. Genau das spricht Kewley an, wenn sie fragt: „Entstehen alle Spiralgalaxien auf ähnliche Weise?“
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