Die Grenzen des galaktischen Wachstums
Im System NGC 253 beobachten Forscher, wie Materieströme die Geburt von Sternen bremsen
Eine Starburstgalaxie in Falschfarben: Das Bild zeigt Daten, die ALMA bei der Beobachtung von NGC 253 gewonnen hat. Die Farbe gibt die Intensität des empfangenen Lichts an, von schwachem Leuchten bei blauer bis hin zu starkem Leuchten bei rötlicher Färbung. Diese und ähnliche Visualisierungen haben den Astronomen dabei geholfen, das Ausströmen von molekularem Wasserstoffgas aus den Sternentstehungsregionen in den Zentralbereichen von NGC 253 nachzuweisen.
Galaxien – Systeme aus bis zu Hunderten Milliarden von Sternen – gelten als die Grundbausteine des Universums auf großen Skalen. Die Astronomen wollen unter anderem verstehen, wie sich diese Milchstraßen von den ersten Protogalaxien kurz nach dem Urknall bis heute entwickelt haben. Eine entscheidende Frage dabei lautet: Was bestimmt, wie viele Sterne in einer Galaxie entstehen?
Ein wichtiger Teil der Antwort sind Mechanismen, welche die Sternentstehung behindern können. Paradoxerweise gehört dazu auch die Sterngeburt selbst: Bilden sich neue Sonnen, dann ist ein gewisser Anteil davon sehr massereich. Massereiche Sterne leuchten sehr hell, und ihre intensive Strahlung führt zu Sternwinden: Gas- und Plasmaströme vom Stern weg, die stark genug sein können, um Gas gänzlich aus der Galaxie hinauszutreiben. Außerdem beenden massereiche Sterne ihr verhältnismäßig kurzes Leben in spektakulären Explosionen (Supernovae) und schleudern dabei ihre äußeren Schalen ins All – zusammen mit etwaigem Material, das der Explosion in die Quere kommt.
Auf diese Weise können Episoden starker Sternentstehung, „Starbursts“ genannt, die Bildung zukünftiger Sterngenerationen stark behindern. Molekulares Gas, das aus der Galaxie katapultiert wurde, dient schließlich nicht mehr als Rohmaterial für neue Sterne. So gibt es Grenzen des galaktischen Wachstums.
Bisher fehlte jedoch der direkte Nachweis, dass Starbursts in der Tat starke molekulare Gasausflüsse erzeugen können. Diese Lücke haben Astronomen um Alberto Bolatto (University of Maryland, College Park) jetzt geschlossen: Sie untersuchten die Starburstgalaxie NGC 253, auch bekannt als Sculptor-Galaxie. Mit einer Entfernung von elf Millionen Lichtjahren ist das im Sternbild „Bildhauer“ (lat. Sculptor) am Südhimmel gelegene Objekt einer unserer näheren galaktischen Nachbarn. Mit dem Verbundteleskop ALMA visierten die Forscher die Zentralregion von NGC 253 an – und fanden in der Tat molekulares Gas, das senkrecht zur galaktischen Scheibe ausströmt.
Dass es diese Sorte von Materieströmen gibt, hatten die Astronomen bisher nur vermutet. Beobachtungen im Röntgenlicht hatten zwar zuvor schon gezeigt, dass sehr dünnes und heißes Gas aus NGC 253 ausfließt. Aber jetzt gelang der erste direkte Nachweis von großen Mengen molekularen Gases – dem Rohmaterial der Sternentstehung. Und diese Materieflüsse schränken tatsächlich die Möglichkeiten der Galaxie ein, in Zukunft weitere Sterne zu bilden.
Zoom auf NGC 253: Das kleinere Falschfarbenbild zeigt die Zentralregion der Spiralgalaxie und fasst viele Informationen zusammen, die aus astronomischen Beobachtungen gewonnen wurden. In blau ist Röntgenstrahlung zu sehen, die von sehr heißem Plasma abgestrahlt wird; dieses Plasma wird aus den Gebieten mit hoher Sternbildungs-Aktivität (Starburst) in der Zentralregion von NGC 253 ausgestoßen. Für Wasserstoffatome charakteristisches Licht ist gelb dargestellt; es zeigt sowohl die Plasmaströmung als auch diejenigen Gebiete im Zentrum und in den Spiralarmen, in denen derzeit gerade neue Sterne entstehen. Die weißen Konturlinien stellen die Strahlung des molekularen Gases dar, die ALMA beobachtet hat. Dieses Gas ist zum einen im Zentrum konzentriert – als Rohmaterial für den Starburst. Den entscheidenden Hinweis gibt das Vorhandensein von molekularem Gas an den Rändern der Gasströmung (dessen Röntgenstrahlung blau dargestellt ist). Offenbar lässt die Starburst-Aktivität große Mengen von molekularem Gas ausströmen. Dieses Gas steht für die Entstehung neuer Sterne dann erst einmal nicht mehr zur Verfügung.
Alberto Bolatto, Erstautor der Studie, mit der die Ergebnisse jetzt in der Fachzeitschrift Nature vorgestellt werden, erklärt: „Die Gasmenge, die wir messen, zeigt deutlich, dass einige sternbildende Galaxien mehr Gas ausspucken als sie aufnehmen.“ Die Astronomen schätzen, dass NGC 253 jedes Jahr Gas mit einer Gesamtmasse von neun Sonnenmassen auswirft. Das ist rund dreimal so viel wie die Gesamtmasse der Sterne, die jedes Jahr in NGC 253 neu entstehen. (Diese Masse wiederum ist um ein Vielfaches größer als die aller Sterne, die jährlich in unserer Milchstraße geboren werden.)
Die Beobachter nutzten das in Chile stationierte internationale Verbundteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array). Die Anlage erlaubt es, Strahlung im Millimeter/Submillimeter-Bereich in beispiellosem Detailreichtum aufzuzeichnen. Die Beobachtungen von NGC 253 konzentrierten sich dabei auf die Strahlung von Kohlenmonoxid-Molekülen. Kohlenmonoxid tritt überall dort auf, wo es auch molekularen Wasserstoff gibt, also den Stoff für die Sternentstehung.
Aus dem Vorkommen von Kohlenmonoxid schlossen die Astronomen direkt auf die Anwesenheit von molekularem Wasserstoff. Zusätzliche Daten gewannen sie mit dem 22-Meter-Mopra-Radioteleskop, das in der Nähe von Coonabarabran in New South Wales steht. Zum Vergleich verwendeten die Forscher schließlich Bildmaterial des Weltraumteleskops Hubble, des Röntgensatelliten Chandra und des Cerro Tololo Inter-American Observatory.
„Für mich ist die Entdeckung ein Paradebeispiel dafür, wie neue Instrumente die Zukunft der Astronomie bestimmen. Wir haben die Starburst-Region in NGC 253 und andere nahe gelegene Starburstgalaxien fast zehn Jahre lang untersucht. Aber bevor es ALMA gab, hatten wir keine Chance, derart feine Details zu sehen“, sagt Fabian Walter vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie, ein Ko-Autor der Studie.
Dabei nutzten Bolatto und seine Kollegen für ihre Beobachtungen eine frühe Konfiguration von ALMA mit nur 16 Antennen. „Es ist aufregend, sich auszumalen, was uns die komplette Anlage mit ihren 66 Antennen über diese Art von Materieströmen einmal zeigen wird“, sagt Walter.
MP / HOR