Ferne stellare Baumschulen: Diesmal in High Definition

Dieser Artikel ist ein Gastbeitrag von Anna Ho, die derzeit im Rahmen eines einjährigen Fulbright-Stipendiums am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg an Sternen in der Milchstraße forscht.

In der Milchstraße werden jedes Jahr durchschnittlich sieben neue Sterne geboren. In der fernen Galaxie GN20 werden jedes Jahr erstaunliche 1.850 neue Sterne geboren. "Wie", könnte man empört im Namen unseres galaktischen Hauses fragen, "schafft GN20 1.850 neue Sterne in der Zeit, die die Milchstraße benötigt, um einen abzuschießen?"

Um dies zu beantworten, werfen wir im Idealfall einen detaillierten Blick auf die Sternenkindergärten in GN20 und einen detaillierten Blick auf die Sternkindergärten in der Milchstraße und sehen, was die ersteren so viel produktiver macht als die letzteren.

Aber GN20 ist einfach zu weit weg für einen detaillierten Blick.

Diese Galaxie ist so weit entfernt, dass ihr Licht zwölf Milliarden Jahre brauchte, um unsere Teleskope zu erreichen. Als Referenz ist die Erde selbst nur 4,5 Milliarden Jahre alt und das Universum selbst wird als ungefähr 14 Milliarden Jahre alt angesehen. Da Licht Zeit braucht, um sich fortzubewegen, bedeutet ein Blick über den Raum einen Rückblick über die Zeit. GN20 ist also nicht nur eine entfernte, sondern auch eine sehr alte Galaxie. Und bis vor kurzem war die Vision der Astronomen von diesen fernen, alten Galaxien verschwommen.

Überlegen Sie, was passiert, wenn Sie versuchen, ein Video mit einer langsamen Internetverbindung zu laden, oder wenn Sie ein Bild mit niedriger Auflösung herunterladen und es dann dehnen. Das Bild ist pixelig. Was einst das Gesicht einer Person war, wird zu ein paar Quadraten: ein paar braune Quadrate für Haare, ein paar rosa Quadrate für das Gesicht. Das Bild in niedriger Auflösung macht es unmöglich, Details zu erkennen: die Augen, die Nase, den Gesichtsausdruck.

Ein Gesicht hat viele Details und eine Galaxie hat viele verschiedene Sternenkindergärten. Aber eine schlechte Auflösung, die einfach darauf zurückzuführen ist, dass alte Galaxien wie GN20 durch große kosmische Entfernungen von unseren Teleskopen getrennt sind, hat die Astronomen gezwungen, all diese reichen Informationen zu einem einzigen Punkt zusammenzufassen.

Ganz anders sieht es hier zu Hause in der Milchstraße aus. Astronomen konnten tief in die Baumschulen der Sterne blicken und die Geburt der Sterne bis ins kleinste Detail miterleben. Im Jahr 2006 machte das Hubble-Weltraumteleskop diese beispiellose Detailaufnahme der Sterngeburt im Herzen des Orionnebels, einer der berühmtesten Sternkindergärten der Milchstraße:

Dieses Bild enthält über 3.000 Sterne: Die leuchtenden Punkte sind neugeborene Sterne, die kürzlich aus ihren Kokons hervorgegangen sind. Stellare Kokons bestehen aus Gas: Tausende dieser Gaskokons befinden sich in riesigen kosmischen Baumschulen, die reich an Gas und Staub sind. Der zentrale Bereich dieses Hubble-Bildes, der von einer Blase umgeben ist, ist so klar und hell, weil die massiven Sterne im Inneren den Staub und das Gas weggeblasen haben, aus denen sie geschmiedet wurden. Majestätische Sternenkindergärten sind über die gesamte Milchstraße verstreut, und Astronomen haben es sehr erfolgreich geschafft, sie zu enttarnen, um zu verstehen, wie Sterne hergestellt werden.

Die Beobachtung von Kindergärten sowohl hier zu Hause als auch in relativ nahe gelegenen Galaxien hat es Astronomen ermöglicht, große Fortschritte beim Verständnis der Sterngeburt im Allgemeinen zu machen: und insbesondere, was einen Kindergarten oder eine Sternentstehungsregion „besser“ darin macht, Sterne zu bauen als eine andere. Die Antwort scheint zu sein: Wie viel Gas gibt es in einer bestimmten Region? Mehr Gas, schnellere Sterngeburtenrate. Diese Beziehung zwischen der Gasdichte und der Geschwindigkeit der Sterngeburt wird als Kennicutt-Schmidt-Gesetz bezeichnet. 1959 stellte der niederländische Astronom Maarten Schmidt die Frage, wie genau die zunehmende Gasdichte die Geburt von Sternen beeinflusst, und vierzig Jahre später verwendete sein amerikanischer Kollege Robert Kennicutt Daten aus 97 Galaxien, um zu beantworten, wie sich wissenschaftliche Dialoge über Jahrzehnte erstrecken können .

Das Verständnis des Kennicutt-Schmidt-Gesetzes ist entscheidend, um zu bestimmen, wie sich Sterne bilden und wie sich Galaxien entwickeln. Eine grundlegende Frage ist, ob es eine Regel gibt, die alle Galaxien regiert, oder ob eine Regel unsere galaktische Nachbarschaft regiert, aber eine andere Regel regiert entfernte Galaxien. Insbesondere eine Familie entfernter Galaxien, die als „Starburst-Galaxien“ bekannt ist, scheint besonders produktive Baumschulen zu enthalten. Das Zerlegen dieser entfernten, hocheffizienten Sternfabriken würde bedeuten, Galaxien so zu untersuchen, wie sie früher waren, nahe dem Beginn des Universums.

Geben Sie GN20 ein. GN20 ist eine der hellsten und produktivsten dieser Starburst-Galaxien. GN20 war früher ein pixeliger Punkt in den Bildern von Astronomen und ist heute ein Beispiel für eine Veränderung der technologischen Leistungsfähigkeit.

Im Dezember 2014 konnte ein internationales Team von Astronomen unter der Leitung von Dr. Jacqueline Hodge vom National Radio Astronomy Observatory in den USA, bestehend aus Astronomen aus Deutschland, Großbritannien, Frankreich und Österreich, ein beispiellos detailliertes Bild des Stern Kindergärten in GN20. Ihre Ergebnisse wurden Anfang dieses Jahres veröffentlicht.

Der Schlüssel ist eine Technik namens Interferometrie: Beobachten eines Objekts mit vielen Teleskopen und Kombinieren der Informationen aller Teleskope, um ein detailliertes Bild zu erstellen. Das Team von Dr. Hodge verwendete einige der modernsten Interferometer der Welt: das Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in der Wüste von New Mexico und das Plateau de Bure Interferometer (PdBI) auf 2550 Metern über dem Meeresspiegel Niveau in den französischen Alpen.

Mit den Daten dieser Interferometer sowie des Hubble-Weltraumteleskops verwandelten sie einen Punkt in das folgende zusammengesetzte Bild:

Dies ist ein Falschfarbenbild, und jede Farbe steht für eine andere Komponente der Galaxie. Blau ist ultraviolettes Licht, das vom Hubble-Weltraumteleskop erfasst wird. Grün ist kaltes molekulares Gas, das von der VLA abgebildet wird. Und Rot ist warmer Staub, der durch die Sternentstehung, die er umhüllt, vom PdBI erkannt wird.

Durch die Entbündelung eines Pixels in viele Pixel konnte das Team feststellen, dass sich die Baumschulen in einer Starburst-Galaxie wie GN20 grundlegend von denen in einer „normalen“ Galaxie wie der Milchstraße unterscheiden. Bei gleicher Gasmenge kann GN20 um Größenordnungen mehr Sterne produzieren als die Milchstraße. Es gibt nicht nur mehr Rohstoffe, sondern es ist auch effizienter, Stars daraus zu formen.

Diese Art von Studie ist derzeit nur im Extremfall von GN20 zu finden. Bei der neuen Generation von Interferometern wie dem Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) wird dies jedoch häufiger vorkommen.

ALMA liegt 5000 Meter hoch in den chilenischen Anden und ist bereit, das Verständnis der Astronomen für die Geburt von Sternen zu verändern. Hochmoderne Teleskope ermöglichen es Astronomen, die detaillierte Wissenschaft mit fernen Galaxien – alten Galaxien aus dem frühen Universum – zu betreiben, die einst nur für unsere Nachbarschaft für möglich gehalten wurde. Dies ist entscheidend für die wissenschaftliche Suche nach universellen physikalischen Gesetzen, da Astronomen ihre Theorien außerhalb unserer Nachbarschaft, über den Raum und zurück durch die Zeit testen können.

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