Gaia entdeckt wilde Sterne von außerhalb unserer eigenen Galaxie

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Künstlerische Darstellung der „Flugbahnen“ von Sternen aus fernen Galaxien in Richtung unserer Milchstraße (Illu.). Klicken Sie auf die Bildmitte, um zur Originalquelle zu gelangen.
Copyright: Marchetti et al. 2018 (Sternenpositionen und Bahnen); NASA/ESA/Hubble (Hintergrundgalaxien), CC BY-SA 3.0 IGO

Leiden (Niederlande) – Anhand der neusten Daten des europäischen Weltraumteleskops „Gaia“ haben Astronomen eigentlich Sterne gesucht, die mit Höchstgeschwindigkeiten aus unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, herauskatapultiert werden. Vom Ergebnis dieser Suche waren die Wissenschaftler überrascht, entdeckten sie doch auch Sterne die offenbar in Richtung Milchstraße sprinten. Diese Sterne könnten unschätzbare Informationen über ihre fernen Heimatgalaxien liefern.

Im vergangenen April hatte die Europäische Raumfahrtagentur ESA dank Gaia einen beispiellosen Sternenkatalog mit mehr als einer Milliarde Objekten veröffentlicht. Seither haben Astronomen weltweit diesen Datensatz analysiert und ausgewertet und etwa die Eigenschaften und Bewegungen von Sternen in unserer Galaxie und darüber hinaus mit nie dagewesener Präzision dargestellt.

Hintergrund
Die Milchstraße enthält über hundert Milliarden Sterne. Die meisten befinden sich in einer Scheibe mit einem dichten, aufgewölbten Zentrum, der sogenannten Bulge, in deren Mitte sich ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet. Der Rest der Sterne (…und ihre Systeme) ist in einem gewaltigen kugelförmigen Halo um dieses Zentrum herum verteilt.

Sterne kreisen innerhalb der Milchstraße mit Hunderten von Kilometern pro Sekunde, und ihre Bewegungen enthalten eine Fülle von Informationen über die Geschichte der Galaxie. Die schnellste Sternenklasse in unserer Galaxie heißt Hypervelocity-Sterne (Hochgeschwindigkeits-Sterne), von denen angenommen wird, dass sie in der Nähe des galaktischen Zentrums entstehen, um später über Schwerkraft-Wechselwirkungen mit dem Schwarzen Loch an den Rand der Milchstraße geschleudert zu werden.

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Nur eine kleine Anzahl von Hypervelocity-Sternen wurde bislang entdeckt. Gaias zweite Datenveröffentlichung (Gaia DR2, …GreWi berichtete) bietet eine einzigartige Gelegenheit, nach weiteren dieser Sterne zu suchen.

Der gesamte Sternenhimmel auf der Datengrundlage der zweiten Gaia-Datenveröffentlichtung.
Copyright: ESA/Gaia/DPAC

Jetzt haben Wissenschaftler um Elena Maria Rossi und Tommaso Marchetti vom Observatorium der niederländischen Universitet Leiden das Ergebnis ihrer Analysen veröffentlicht und damit zugleich für eine Überraschung innerhalb der Astro-Wissenschaftsgemeinde gesorgt: Anhand von der Bestimmung von Position und sog. Paralaxen (ein Indikator für die Entfernung von Sternen) von rund 1,3 Milliarden Sternen und 2D-Bewegungen auf der Himmelsebene, und einer 3D-Messung der Geschwindigkeit, mit der sich rund sieben Millionen der hellsten Sterne auf uns zu oder von uns fort bewegen, entdeckten Rossi und Kollegen zwanzig Sterne, die schnell genug reisen könnten, um sogar aus der Milchstraße zu entkommen.

Bereits im vergangenen Jahr hatten die Forscher in einer explorativen Studie auf der Grundlage von Daten aus Gaias erster Datenveröffentlichung (Gaia DR1) etwa ein halbes Dutzend von Hochgeschwindigkeits-Sterne entdeckt und hatten schon damals anhand der bevorstehenden DR-2-Daten gehofft, mindestens einen Stern zu finden, der sich von der Galaxie lösen könnte. Jetzt fanden sie Forscher sogar noch deutlich mehr.

“Anstatt vom galaktischen Zentrum wegzufliegen, scheinen die meisten der von uns entdeckten Hochgeschwindigkeitssterne auf sie zuzusteuern”, erläutert Marchetti und vermutet: “Das könnten Sterne aus einer anderen Galaxie sein, die direkt durch die Milchstraße sausen.”

Tatsächlich, so vermuten die Forscher aktuell in ihrem im Fachjournal „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ (DOI: 10.1093/mnras/sty2592) veröffentlichten Artikel dazu, wäre es möglich, dass diese ‚intergalaktischen Eindringlinge‘ aus der Großen Magellanschen Wolke stammen, einer relativ kleinen Galaxie, die die Milchstraße umkreist. Alternativ könnten sie aber auch aus einer noch weiter entfernten Galaxie stammen.

Die Große Magellansche Wolke.
Copyright: ESA/Gaia/DPAC

Sollte dies tatsächlich der Fall sein, so würden sie auch die Signaturen ihres Ursprungsortes in sich tragen und auf diese Weise beispiellose Informationen über ihre entfernte Muttergalaxien und über die Natur der Sterne in einer anderen Galaxie liefern. Die Forscher vergleichen dieses wissenschaftliche Potential mit dem Studium von Mars-Material, das von Meteoriten auf unseren Planeten gebracht wurde.

Auch diese Sterne, so erläutert Rossi, könnten einst in ihren Heimatgalaxien durch die Interaktion mit supermassereichen Schwarzen Löchern auf jene hohen Geschwindigkeiten beschleunigt worden sein, die sie dann in Richtung der Milchstraße katapultierten. Somit könnten dann auch die Existenz und Anwesenheit dieser Sterne ein Zeichen für die Existenz solcher Schwarzen Löcher in benachbarten Galaxien sein.

Allerdings könnten die besagten Sterne früher aber auch einmal Teil eines binären Systems gewesen sein, das in Richtung Milchstraße geschleudert wurde, als ihr Begleitstern als Supernova explodierte. „So oder so, ihr Studium könnte uns mehr über diese Art von Prozessen in nahegelegenen Galaxien erzählen”, so die Autoren.

Eine alternative Erklärung ist, dass die neu identifizierten „Sprintsterne“ aus dem Halo unserer Galaxie selbst stammen, hier durch die Wechselwirkungen mit einer der Zwerggalaxien beschleunigt und nach innen geschoben wurden. Zusätzliche Informationen über das Alter und die Zusammensetzung der Sterne sollen zukünftig den Astronomen helfen, ihre Herkunft zu klären.

“Sterne aus dem Halo der Milchstraße sind vermutlich ziemlich alt und bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff, während Sterne aus anderen Galaxien viele schwerere Elemente enthalten können”, sagt Tommaso. “Wenn wir uns also die Farben der Sterne ansehen, erfahren wir mehr darüber, woraus sie bestehen und vielleicht dann auch, woher sie stammen.”

Die nächsten Gaia-Daten (DR 3 und DR 4) werden es dann vermutlich ermöglichen, die Art und Herkunft dieser Sterne mit mehr Sicherheit zu erfassen. Dann will Team mit Hilfe von erdgestützten Teleskopen mehr über sie erfahren.

Neben der Untersuchung der Natur dieser möglichen intergalaktischen Eindringlinge durchforsten die Wissenschaftler den vollständigen zweiten Gaia-Datensatz auch weiterhin nach weiteren Hochgeschwindigkeitssternen. „DR 3“ und „DR 4“ sind für die 2020er Jahre geplant und werden dann die jeweils sowohl präzisere als auch neue Informationen über eine größere Anzahl von Sternen liefern: “Wir erwarten davon vollständige 3D-Geschwindigkeitsmessungen für bis zu 150 Millionen Sterne”, erklärt Anthony Brown, Co-Autor und Vorsitzender des Gaia Data Processing and Analysis Consortium Executive. “Dies wird helfen, Hunderttausende von Hypervelocity-Sternen zu finden, ihren Ursprung viel detaillierter zu verstehen und diese Informationen zu nutzen, um die Landschaft des galaktischen Zentrums sowie die Geschichte unserer Galaxie noch genauer zu untersuchen.“

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