Die galaktische Kollision, die unsere Milchstraße umgestaltet hat.

Ein neuer Befund wirft Licht darauf, wie sich unsere Galaxie – und die des gesamten Universums – entwickeln.

Vor etwa 10 Milliarden Jahren erlitt die Milchstraße – eine kleinere Galaxie, die weder ihre aktuelle Spiralstruktur noch den diffusen Heiligenschein der umliegenden Sterne enthielt – eine massive Frontalkollision, die sie bis ins Mark erschütterte.

Dann zog die Schwerkraft unserer Galaxie einen kleineren Gefährten, etwa ein Viertel seiner Masse, in einen gefährlichen Tanz: Eine, in der die Zwerggalaxie in die und aus der Scheibe der Milchstraße tauchte und hin und her schwang, bis sie schließlich ganz geschluckt wurde. Obwohl unsere Galaxie überlebt hat, war sie nie wieder dieselbe. Die Kollision verwischte die Bahnen der Sterne in ihrer Scheibe, was sie viel geschwollener machte, und schickte außerirdische Sterne, die um die Milchstraße flogen, um so einen Großteil ihres Heiligenschein zu bauen. Der Zusammenstoß führte auch zu neuem Gas in Richtung des galaktischen Zentrums und fügte Kraftstoff hinzu, der sich mit den vorhandenen Reservoirs der Milchstraße vermischte und vermischte, um neue Generationen von Sternen zu bilden.

Mit der Zeit verblasste die Zwerggalaxie, aber die Narben von ihrer Kollision sind nie wirklich verschwunden – nicht, dass sie leicht zu finden waren. Astronomen, die lange Zeit dachten, dass die Milchstraße wahrscheinlich aus einer Vielzahl von zusammenwachsenden Zwerggalaxien entstanden sei, haben bis heute damit gekämpft, die Anzeichen der größten Fusionen aufzudecken. Jetzt liefert ein neues in Nature veröffentlichtes Papier den Beweis – oder etwas, das ihm nahe steht. „Es ist, als würde man ein Fossil oder ein archäologisches Beweisstück für den Beginn der Galaxie aufdecken“, sagt James Bullock, Astronom an der University of California, Irvine, der mit der neuen Forschung nicht verbunden ist.

Das Papier, das von Amina Helmi, einer Astronomin am Kapteyn Astronomical Institute in den Niederlanden, und ihren Kollegen mitverfasst wurde, ist einer der Höhepunkte nach der lang erwarteten zweiten Datenfreigabe von Gaia – einem Raumschiff, das 2013 von der Europäischen Weltraumorganisation gestartet wurde, um den Himmel in noch nie dagewesenen Details zu kartieren. Im Laufe seiner Mission hat Gaia die Positionen, Bewegungen, Helligkeiten und Farben von 1,3 Milliarden Sternen der Milchstraße so genau bestimmt, dass Astronomen ihre Daten genutzt haben, um neue, außergewöhnlich reiche Kapitel in der Biographie der Milchstraße zu erstellen.

In der Tat, nachdem der zweite Datensatz im April dieses Jahres veröffentlicht wurde, erblickten viele Teams Hinweise auf unsere gewalttätige Geschichte – aufgezeichnet in Sternen, die fehl am Platz erschienen. Wassily Belokurov, Astronom an der Universität Cambridge, leitete ein Team, das eine große Anzahl von Sternen entdeckte, die sich nicht synchron mit der Rotation der Galaxie bewegten, sondern entgegen allen Erwartungen in Richtung des galaktischen Zentrums strömten oder sich von diesem entfernten. Ein anderer Kapteyn-Astronom, Helmer Koppelman, leitete eine Studie, die einen „Fleck“ von Sternen entdeckte, die in die entgegengesetzte Richtung zu den meisten Sternen im Heiligenschein der Milchstraße kreisen. Und Misha Haywood, ein Astronom am Pariser Observatorium, fand schnell bewegte Sterne im Halo mit atypischen chemischen Überflüssen – ein Zeichen, das sie sich außerhalb der Milchstraße gebildet haben könnten. „Es war wirklich die Spitze des Eisbergs“, sagt Helmi. Obwohl alle diese Studien eine frühere Kollision für solche Kuriositäten verantwortlich machten, waren sie sich nicht einig, wann die Kollision stattfand, die Masse der Satellitengalaxie und ob es sich bei dem Ereignis um eine einzige große oder mehrere kleinere Zwerggalaxien handelte. Helmi’s Studie hingegen bringt mehrere Beweislinien zusammen, um das bisher überzeugendste Porträt zu malen, sagt Kathryn Johnston, eine Astronomin an der Columbia University, die nicht an der Arbeit beteiligt war. Und es ist eine, die sich auf eine einseitige, massive Fusion stützt.

Helmi und ihre Kollegen analysierten 50.000 Gaia-Sterne im Halo der Milchstraße und fanden heraus, dass 33.000 von ihnen ähnliche Mengen an Drehimpuls und Umlaufbahn in die entgegengesetzte Richtung teilen, als sie sollten. „Da wurde klar, dass das seltsam war“, sagt sie. „Die Scheibe ist bestellt; Sie haben 100 Millionen Sterne, die sich geordnet um das galaktische Zentrum bewegen. Und dann hast du diese Sterne, die sich entschieden haben, sich im entgegengesetzten Sinne zu bewegen. Das deutet darauf hin, dass diese Sterne in der Milchstraße nicht entstanden sein könnten.“ Um diese Hypothese weiter zu testen, analysierte das Team auch die chemische Zusammensetzung von 600 dieser Sterne, die zuvor mit der bodenbasierten APOGEE Sternenstudie untersucht wurden. In jeder Galaxie nimmt die Fülle an Elementen, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium, im Laufe der Zeit allmählich zu, aufgrund von Zyklen des Sterntodes und der Wiedergeburt. Aber das genaue Muster dieser Zunahme ist spezifisch für jede Galaxie, ähnlich wie ein Fingerabdruck. Zusammen mit Simulationen, die die potenzielle Fusion modellieren, verstärken die Gaia- und APOGEE-Daten die Vorstellung, dass diese Sterne wirklich außerirdische Eindringlinge sind, was darauf hindeutet, dass sie aus einer einzigen großen Zwerggalaxie stammen, die seit 10 Milliarden Jahren keine Sterne mehr bildet – zu der Zeit, als sie kannibalisiert wurde.

Das Team nannte die verstorbene Galaxie „Gaia-Enceladus“, zu Ehren des Weltraumobservatoriums und eines Wesens aus der griechischen Mythologie, Enceladus, ein Riese, der unter dem Vulkan Ätna begraben sein soll und für die Erdbeben in der Region verantwortlich ist.

Die Studie bestätigt, wenn sie richtig ist, zunächst, was Theoretiker schon lange denken: dass Galaxien wie die Milchstraße zu enormen Anteilen wachsen, indem sie viele kleinere verschlingen. „Es war nicht bekannt, ob die Milchstraße Fusionen erlebt hatte“, sagt Helmi. „Und man weiß nie, wann man eine Fusion in einer anderen Galaxie sieht, ob sie nur anekdotisch ist. Die Tatsache, dass wir jetzt die Daten haben, und sie sagen uns, dass Fusionen stattgefunden haben und einen erheblichen Einfluss auf die Geschichte unserer Galaxie hatten – ich denke, das ist ein sehr wichtiger Schritt, um dieses Bild zu bestätigen, dass wir haben, dass sich Galaxien durch Fusionen aufbauen.“ Allein die schiere Bestätigung hat viele Astronomen in einen Zustand der Euphorie versetzt.

Darüber hinaus bietet die Studie eine beispiellose Chance für neue Forschungsansätze. Obwohl Astronomen Galaxien gesehen haben, die in entfernten Ecken des Kosmos zusammenfließen, bietet eine Kollision in der Milchstraße – auch nur ein Überrest – einen Sitz in der ersten Reihe, der viel mehr Antworten bietet. Sogar unser nächster Nachbar, Andromeda, ist zu weit weg für robuste Studien über Fusionen dort. „In fast drei Millionen Lichtjahren Entfernung werden wir nie nach Andromeda gehen, um es zu bevölkern oder im Detail zu studieren“, sagt Kim Venn, ein Astronom an der University of Victoria in British Columbia, der nicht an der Studie beteiligt war. „Das ist unsere einzige Chance.“ Und mit dieser Chance könnten Astronomen die Physik besser analysieren. Nehmen wir als Beispiel die spiralförmige Sternenscheibe der Milchstraße. Diese Scheibe besteht aus zwei Teilen: einem dünneren, dichteren Bereich, der von einem dickeren, diffuseren Bereich umgeben ist, aber niemand weiß, wie die dicke Scheibe entstanden ist. Obwohl Helmi stellt fest, die Kollision in Frage erhitzt und aufgeblasen Teil der dünnen Scheibe in eine dicke ein, zukünftige Simulationen der Kollision wird Astronomen helfen, besser zu beantworten diese Frage.

Und die Antwort wird nur noch mehr Licht in diese galaktischen Wracks bringen. Tatsächlich will Helmi die Evolution der Milchstraße „wie einen Rosettenstein“ nutzen, um besser zu verstehen, wie sich Galaxien im ganzen Universum entwickeln und wie sie den Kosmos beeinflussen. Die Ergebnisse könnten den Astronomen sogar helfen, eine zukünftige Kollision nahe der Heimat zu ergründen, sagt Venn, wenn die Andromedagalaxie in etwa vier Milliarden Jahren direkt in die Milchstraße eindringt.

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