ALMA und VLT finden zu viele massereiche Sterne in Starburst-Galaxien nah und fern
Physik-News vom 04.06.2018
Astronomen haben mit ALMA und dem VLT herausgefunden, dass sowohl Starburstgalaxien im frühen Universum als auch eine Sternentstehungsregion in einer nahen Galaxie einen viel höheren Anteil an massereichen Sternen enthalten als ruhigere Galaxien. Diese Erkenntnisse stellen aktuelle Vorstellungen über die Entwicklung von Galaxien in Frage und verändern unser Verständnis der kosmischen Sternentstehungsgeschichte und der Bildung der chemischen Elemente.
Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Astronomen Zhi-Yu Zhang von der Universität Edinburgh hat mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) den Anteil der massereichen Sterne in vier entfernten gasreichen Starburstgalaxien untersucht [1]. Wir sehen diese Galaxien heute so, wie sie zu einer Zeit waren, als das Universum sehr viel jünger war. Es ist daher unwahrscheinlich, dass die Junggalaxien bereits mehrere vorhergehende Episoden der Sternentstehung durchgemacht haben, die die Resultate beeinflussen könnten.
Publikation:
Z. Zhang et al.
Stellar populations dominated by massive stars in dusty starburst galaxies across cosmic time
Nature
Zhang und sein Team entwickelten eine neue Technik – analog zur Radiokarbonmethode (auch bekannt als C-14 Datierung) – um die Häufigkeit verschiedener Arten von Kohlenstoffmonoxid in den vier sehr weit entfernten, staubumhüllten Starburstgalaxien zu messen [2]. Sie beobachteten das Verhältnis von zwei Arten von Kohlenstoffmonoxid mit unterschiedlichen Isotopen [3].
"Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope haben eine unterschiedliche Herkunft", erklärt Zhang. "18O wird vermehrt in massereichen Sternen und 13C mehr in Sternen mit geringer bis mittlerer Masse produziert." Dank der neuen Technik konnte das Team durch den Staub in diesen Galaxien blicken und zum ersten Mal die Massen ihrer Sterne beurteilen.
Die Masse eines Sterns ist der wichtigste Faktor für seine Entwicklung. Massereiche Sterne leuchten hell und haben ein kurzes Leben, während weniger massereiche Sterne wie die Sonne Milliarden von Jahren leuchten, dafür aber weniger hell. Die Kenntnis der Anzahlverhältnisse von Sternen unterschiedlicher Massen, die in Galaxien gebildet werden, untermauert daher das Verständnis der Astronomen für die Entstehung und Entwicklung von Galaxien in der Geschichte des Universums. Folglich gibt sie uns entscheidende Erkenntnisse über die chemischen Elemente, die zur Bildung neuer Sterne und Planeten zur Verfügung stehen, und letztlich über die Anzahl der Schwarzen Löcher, die sich zu den supermassereichen Schwarzen Löchern vereinigen könnten, die wir in den Zentren vieler Galaxien sehen.
Ko-Autorin Donatella Romano vom INAF-Osservatorio di astrofisica e scienza dello spazio di Bologna erklärt, was das Team gefunden hat: "Das Verhältnis von 18O zu 13C war in diesen Starburst-Galaxien im frühen Universum etwa 10 mal höher als in Galaxien wie der Milchstraße, was bedeutet, dass es einen viel höheren Anteil an massereichen Sternen in diesen Starburst-Galaxien gibt."
Der ALMA-Fund wird durch eine weitere Entdeckung im lokalen Universum bestätigt: Ein Team um Fabian Schneider von der University of Oxford in Großbritannien führte mit dem Very Large Telescope der ESO spektroskopische Messungen von 800 Sternen in der riesigen Sternentstehungsregion 30 Doradus in der Großen Magellanschen Wolke durch, um die Gesamtverteilung von Sternalter und Anfangsmassen zu untersuchen [4].
Schneider erklärte: "Wir fanden rund 30% mehr Sterne mit mehr als 30 mal so viel Masse wie die Sonne und etwa 70% mehr als erwartet über 60 Sonnenmassen. Unsere Ergebnisse stellen die vorhergesagte Grenze von 150 Sonnenmassen für die maximale Geburtsmasse von Sternen in Frage und legen sogar nahe, dass Sterne Geburtsmassen von bis zu 300 Sonnenmassen haben könnten!"
Rob Ivison, Ko-Autor des neuen ALMA-Artikel, schließt: "Unsere Erkenntnisse führen uns dazu, unser Verständnis der kosmischen Geschichte in Frage zu stellen. Astronomen, die Modelle des Universums entwickeln, müssen nun wieder zum Grundkonzept zurückkehren und noch mehr Detail hineinstecken."
Endnoten
[1] Starburstgalaxien sind Galaxien, die eine Episode sehr intensiver Sternentstehung durchlaufen. Die Rate, mit der sie neue Sterne bilden, kann mehr als 100 mal stärker sein als in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße. Massereiche Sterne in diesen Galaxien erzeugen ionisierende Strahlung, starke Sternwinde und Supernovaexplosionen, die die dynamische und chemische Entwicklung des sie umgebenden Mediums maßgeblich beeinflussen. Die Untersuchung der Massenverteilung von Sternen in diesen Galaxien kann uns mehr über ihre eigene Entwicklung und auch über die Entwicklung des Universums im Allgemeinen sagen.
[2] Die Radiokarbonmethode wird zur Bestimmung des Alters eines Objekts verwendet, das organisches Material enthält. Durch die Messung der Menge von 14C, einem radioaktiven Isotop, dessen Häufigkeit im Lauf der Zeit kontinuierlich abnimmt, kann man berechnen, wann das Tier oder die Pflanze gestorben ist. Die in der ALMA-Studie verwendeten Isotope, 13C und 18O, sind stabil und ihre Häufigkeiten nehmen während der Lebensdauer einer Galaxie kontinuierlich zu, da sie durch thermische Kernfusionsreaktionen innerhalb von Sternen synthetisiert werden.
[3] Diese verschiedenen Formen des Moleküls werden Isotopologe genannt und unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen, die die Atome enthalten, aus denen sie bestehen. Die in dieser Studie verwendeten Kohlenstoffmonoxidmoleküle sind ein Beispiel für solch eine molekulare Spezies, denn ein stabiles Kohlenstoffisotop kann entweder 12 oder 13 Nukleonen in seinem Kern haben, während ein stabiles Sauerstoffisotop entweder 16, 17 oder 18 Nukleonen enthalten kann.
[4] Schneider et al. machten spektroskopische Beobachtungen einzelner Sterne in 30 Doradus, einer Sternentstehungsregion in der nahegelegenen Großen Magellanschen Wolke, mit dem Fibre Large Array Multi Element Spectrograph (FLAMES) am Very Large Telescope (VLT). Diese Studie war eine der ersten, die detailliert genug durchgeführt wurde, um zu zeigen, dass das Universum in der Lage ist, Sternenetstehugnsregionen mit anderen Massenverteilungen als in der Milchstraße zu produzieren.
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