Sterne geben Hinweise auf die Eigenschaften einer wichtigen Galaxienverschmelzung in der Geschichte der jungen Milchstraße

1. Mai 2020

Vor etwa 10 Milliarden Jahren stieß eine Galaxie mit unserer kosmischen Heimat, der Milchstraße, in einer gewaltigen Verschmelzung zusammen, die das Aussehen unserer Galaxis veränderte. Forschern des MPA ist es zusammen mit internationalen Kollegen aus Großbritannien, Chile und Italien gelungen, die Auswirkungen dieses Ereignisses mit Hilfe der bisher größten und fortschrittlichsten Milchstraßen-Simulationen auszuloten. Insbesondere stellten sie fest, dass der Schaden, den unsere Galaxis in ihrer Jugend erlitt, auf eine Satellitengalaxie hindeutet, die etwa eine Milliarde Sonnen schwer war.

Abb. 1: Sternenlicht (obere Bilder) und Gasdichte (untere Bilder) einer simulierten, Milchstraßen-ähnlichen Galaxie unmittelbar vor (erstes Bild), während (zweites Bild), unmittelbar nach (drittes Bild) der Gaia-Enceladus-Verschmelzung und zum heutigen Tag (viertes Bild). Die Satellitengalaxie bringt eine große Menge Gas mit sich, das einen Ausbruch an Sternentstehung entlang einer Gasbrücke anregt, die sie mit der Milchstraße verbindet.

Die Chronik der Milchstraße steht im Sternenlicht: Die Geschichte unserer Galaxis lässt sich entschlüsseln, indem man ihre Sterne beobachtet und deren Eigenschaften charakterisiert. Zum Beispiel entstehen Sterne in der Regel auf kreisförmigen Bahnen um das galaktische Zentrum, beginnen aber im Laufe der Zeit, auf ovalen, länglichen Bahnen zu kreisen. Dies geschieht vor allem durch die Gravitationsstörungen, die während der Verschmelzung mit einer Satellitengalaxie entstehen, die außerdem eigene Sterne auf nahezu radialen Bahnen mitbringen kann. Im Jahr 2018 analysierten Astronomen die Positionen und Geschwindigkeiten der vom Gaia-Satelliten beobachteten Sterne und entdeckten, dass die Milchstraße in ihrer fernen Vergangenheit eine wichtige Verschmelzung mit der Gaia-Enceladus-Galaxie erlebt hatte. Sterne, die zu Gaia-Enceladus gehörten, befinden sich eindeutig auf sehr radialen (exzentrischen) Bahnen und machen einen beträchtlichen Teil des stellaren Halos aus - das schwache Licht, das Galaxien umgibt und den Stern-Abfall aus Trümmern zuvor zerstörter Galaxien darstellt.

Wie sah die Milchstraße vor diesem kataklysmischen Ereignis aus und wie hat sie sich verändert?

Abb. 2: Links: Seitenansicht der Sterne in der Proto-Scheibe einer simulierten Milchstraße kurz vor dem Verschmelzungsereignis vor etwa 10 Milliarden Jahren (oben) und heute (unten), die zeigen, wie die Scheibensterne durch die Verschmelzung in den stellaren Halo gestreut werden.

Rechts: Verteilung der Sterne, die während der durch die Verschmelzung angeregten Sternentstehung entstanden sind, unmittelbar nach der Verschmelzung (oben) und zum heutigen Tag (unten). Dies zeigt, dass diese Sterne im Vergleich zur Proto-Scheibe in einer flacheren und "scheibenförmigeren" Verteilung zu finden sind.  

Diese Frage lässt sich nur mit Hilfe von Simulationen beantworten. Forscher am MPA hatten eine führende Rolle bei der Entwicklung der Auriga-Simulationen - der größten Suite von Simulationen für die Entstehung der Milchstraße in unserem Universum, die physikalische Prozesse wie Sternentstehung, Supernovae, Schwarze Löcher und Magnetfelder modelliert. Damit erhalten die Wissenschaftler aussagekräftige Einblicke, indem sie einen Echtzeit-Blick auf die Entstehung und Entwicklung von Galaxien erhalten, ähnlich einem Film, der kurz nach dem Urknall beginnt und in der Gegenwart endet.

MPA-Wissenschaftler analysierten diese hochentwickelten Simulationen und stellten fest, dass etwa ein Drittel ihrer Milchstraßen-ähnlichen Galaxien ein Merkmal in ihrem stellaren Halo erzeugten, das der Signatur der Gaia-Enceladus-Verschmelzung gleicht (siehe auch das Januar-Highlight, bei dem MPA-Forscher aufzeigten, wie dieses Ereignis den zentralen Sternbalken der Milchstraße geformt hat). In all diesen Fällen war dieses Merkmal mit einer bedeutenden Verschmelzung in der Jugend der Galaxie verbunden (Abb. 1). Die MPA-Wissenschaftler stellten fest, dass die Verschmelzungen zwei gravierende Auswirkungen hatten: i) die verschmelzenden Galaxien waren immer reich an Gas und brachten viel frisches Material mit, das einen gewaltigen Ausbruch an Sternentstehung auslöste; und ii) die "Proto-Scheibe" der Milchstraße - die dominierende Komponente ihrer Jugend - erlitt durch den Aufprall ernsthafte Schäden und verlor einen beträchtlichen Teil ihrer Masse, da die Sternumlaufbahnen aus der Scheibe in Richtung der Ränder des sichtbaren stellaren Halos "herausgespritzt" wurden (Abb. 2). Nichtsdestotrotz hat ein Teil der Proto-Scheibe überlebt und bildet zusammen mit den Sternen, die während des Ausbruchs an Sternentstehung entstanden sind, die von Astronomen sogenannte "dicke Scheibe" - eine der bedeutendsten Komponenten der Galaxis heute.

Wiegen von Gaia-Enceladus und Datierung der Verschmelzung

Abb. 3: Links: der Anteil der gegenläufigen "Spritzsterne" als Funktion der Sternmasse der Gaia-Encaladus-Analoga; eine massereichere Verschmelzung führt zu einem größeren Anteil an Spritzsternen. Rechts: das Alter der Spritzsterne geteilt durch die tatsächliche Zeit, die seit der Verschmelzung vergangen ist, als Funktion dieses Verschmelzungszeitpunktes; die meisten Datenpunkte liegen weniger als 10% von dem wahren Verschmelzungszeitpunkt entfernt. Dies zeigt, dass die Astronomen in der Lage sein sollten, die Verschmelzung von Gaia-Enceladus mit unserer echten Milchstraße anhand einer sorgfältigen Analyse dieser Spritzsterne zu datieren.

Dank der großen Anzahl von Simulationen war es den Forschern möglich, die Auswirkungen vieler Verschmelzungen mit Satellitengalaxien mit unterschiedlicher Masse und Dauer zu messen. Ein wichtiges diagnostisches Merkmal ist der Anteil der Sterne, die die Galaxie entgegensetzt der Hauptdrehrichtung umkreisen - Sterne, die aufgrund der starken Gravitationsstörung der Verschmelzung aus der Proto-Scheibe "herausgespritzt" wurden. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass massereichere Verschmelzungen zu einem höheren Anteil dieser gegenläufig rotierenden "Spritz"-Sterne führen und dass das Alter dieser Sterne ein genauer Prädiktor für den Zeitpunkt der Verschmelzung ist (Abb. 3).

So zeigen diese Ergebnisse, dass die Astronomen mit einer genauen Zählung der gegenläufigen Sterne und einer präzisen Altersbestimmung der Sterne in der realen Milchstraße den wichtigsten Eigenschaften dieses Ereignisses enge Grenzen setzen können. Im Vergleich zu Beobachtungen der Milchstraße deuten diese neuen Ergebnisse darauf hin, dass Gaia-Enceladus eine Masse von etwa einer Milliarde Sonnen besaß und Verschmelzung vor etwa 10 Milliarden Jahren stattfand. In Zukunft werden uns umfangreichere Beobachtungen und Simulationen dabei helfen, eines der größten Kapitel unserer kosmischen Geschichte bis ins Detail zu verstehen.

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