StartseiteAlpha Cephei

Galaktische Astro-Archäologie mit Gaia, Teil 2

Von / 22. November 2018 / 7 Kommentare
Mehr
Künstlerische Darstellung der im Text beschriebenen Galaxien-Kollision. Die Bewegungsrichtungen der Sterne der verschluckten Galaxie sind durch gelbe Pfeile dargestellt. Bild: NASA/ESA/Hubble (galaxy image), CC BY-SA 3.0 IGO.

Im ersten Teil der Astro-Archäologie haben wir davon erfahren, dass ein englisches Forscherteam die Spuren einer Kollision der Milchstraße mit einer großen Galaxie in den Gaia-DR2-Daten gefunden hat, deren Sterne heute noch auf stark elliptischen Bahnen um das Zentrum der Milchstraße kreisen, die sie weit hinaus in deren Halo tragen. Auch andere Teams graben in den Daten und eines davon kam einem ähnlichen Ereignis auf die Spur.

 

Durch Dick und Dünn

Die Milchstraßenscheibe besteht aus zwei deutlich verschiedenen Komponenten, einer dünnen Scheibe von ca. 3000 LJ Dicke und einer dicken Scheibe, die etwa den doppelten Querschnitt hat. Eine dünne Scheibe ist leicht erklärbar, denn aus einer rotierenden Struktur aus Gas, wie sie der Milchstraße vorausging, entsteht automatisch eine flache Scheibe, denn nur in einer solchen kann das Gas kollisionsfrei um den Massenschwerpunkt kreisen – gegeneinander verkippte Bahnen von Gasteilchen führen zu Überschneidungen und Gas füllt den Raum komplett aus, so dass es unweigerlich zu Kollisionen der Teilchen kommt, die jegliche Vertikalbewegung gegenüber der Hauptrichtung aufzehren und als Wärme abstrahlen. In der Scheibe entstehen dann Sterne, die die Bahn des Gases fortführen – was kann ihre Bahnen dynamisch so “erhitzen” (wie die Astronomen das nennen), dass sie sich von der Scheibe entfernen?

Ein Team um Amina Helmi von der Universität Groningen (die wir hier bereits kennengelernt hatten; hier erklärt sie in einem Video die Entstehung der Milchstraße) hat sich dazu die von Gaia gemessenen Bewegungen der Sterne in 2,5 kpc (8150 LJ) Radius um die Sonne herum angeschaut, d.h. die dünne und dicke Scheibe in der Sonnenumgebung. Trägt man deren Geschwindigkeiten Vy in Richtung einer Kreisbahn um die Milchstraße (also tangential zur Scheibe) auf der waagerechten Achse und die Geschwindigkeiten im rechten Winkel dazu auf der vertikalen Achse auf (Vx: Geschwindigkeit in Richtung oder Gegenrichtung zum Zentrum der Milchstraße, Vz: nach oben oder unten aus der Scheibe heraus;  V⊥ =  \sqrt{V^2_x+V^2_z} Vektorsumme aus beiden = Geschwindigkeit senkrecht zur tangentialen Geschwindigkeit), so ergibt sich das Bild unten links:

Bewegung der Sterne in der Sonnenumgebung. Waagerechte Achse: Geschwindigkeitskomponente tangential zur Scheibe in Richtung einer Kreisbahn um das Milchstraßenzentrum; vertikale Achse: Komponente senkrecht dazu (Vektorsumme der Komponenten in radialer Richtung zum Zentrum der Milchstraße und aus der Scheibe heraus). Links die Daten von Gaia, wobei die Sterne der dünnen Scheibe unten rechts als graue Fläche eingetragen sind, Halosterne als schwarze Punkte und ausgewählte Sterne mit einer hohen Energie und Entfernung von der Scheibe als blaue Kreise. Solche Sterne bewegen sich mit negativen Geschwindigkeiten Vy, d.h. gegen den Drehsinn der Milchstraße. Rechts das Bild einer Simulation einer Galaxienkollision; die schwarzen Punkte sin die Sterne einer massiveren Galaxie, die blauen diejenigen der 5-mal leichteren kollidierten Galaxie. Die Struktur ist auffallend ähnlich. Bild: [1].

Bewegung der Sterne in der Sonnenumgebung. Waagerechte Achse: Geschwindigkeitskomponente tangential zur Scheibe in Richtung einer Kreisbahn um das Milchstraßenzentrum; vertikale Achse: Komponente senkrecht dazu (Vektorsumme der Komponenten in radialer Richtung zum Zentrum der Milchstraße und aus der Scheibe heraus). Links die Daten von Gaia, wobei die Sterne der dünnen Scheibe unten rechts als graue Fläche eingetragen sind, Halosterne als schwarze Punkte und ausgewählte Sterne mit einer hohen Energie und Entfernung von der Scheibe als blaue Kreise. Letztere bewegen sich mit negativen Geschwindigkeiten Vy, d.h. gegen den Drehsinn der Milchstraßenscheibe. Rechts das Bild einer Simulation einer Galaxienkollision; die schwarzen Punkte sind die Sterne einer massiveren Galaxie, die blauen diejenigen der 5-mal leichteren kollidierten Spiralgalaxie bei passend gewählten Geschwindigkeiten. Die Struktur ist auffallend ähnlich. Bild: [1].

Die Sterne in der rechten unteren Ecke bilden die dünne Scheibe; sie kreisen im Mittel mit 220 km/s um das Milchstraßenzentrum und haben nur einen kleinen Bewegungsanteil senkrecht dazu. Die schwarzen Punkte links davon sind Sterne des Halos (genauer gesagt solche, deren Geschwindigkeiten um mehr als 210 km/s von der Kreisbahngeschwindigkeit abweichen). Und die blauen Kreise sind Sterne einer gewissen Mindestenergie und Entfernung von der Scheibe. Die blauen Kreise bewegen sich mit negativer Vy-Geschwindigkeit, d.h. im Gegensinn zur Drehung der Scheibe (retrograd), und sie bewegen sich stärker abseits der Kreisbahn (auf der vertikalen Achse weiter oben). Interessant wird es, wenn man dieses Bild mit dem rechts daneben abgebildeten vergleicht: hier wurde die Kollision von zwei Spiralgalaxien simuliert, bei der die eine (schwarze Punkte) fünfmal mehr Masse hatte als die andere (blaue Punkte), wobei die Kollisionsgeschwindigkeit so gewählt wurde, dass quantitativ ein ähnliches Bild wie links heraus kommt. Die Ähnlichkeit ist in dieser Darstellung verblüffend. Die Kollision führt zu retrograden Bahnen der verschluckten Sterne, die sich weit von der Scheibe der größeren Galaxie entfernen.

 

Generationenkonflikt

Das niederländische Team suchte nach weiteren Unterschieden zwischen den Sterngruppen. So zeigte sich, dass die oben blau abgebildeten Sterne eine starke Streuung in ihrem Metallgehalt zeigten, ihr Alter variiert, während die schwarz punktierten Halosterne alle relativ alt sind. Bei einer Galaxienkollision kommt es bekanntlich zur Entstehung frischer Sterne. Die Sternentstehung in der Vorläufergalaxie soll 2 Milliarden Jahre angedauert haben, bevor es zur Kollision kam, die vor 10 Milliarden Jahren stattgefunden haben müsste, wie sich aus der Alterstruktur der “blauen” Sterne ableiten lässt.

Aus dem Metallgehalt schließen die Autoren, dass die “blauen” Sterne aus einer Galaxie mit einer kleineren Sternentstehungsrate als die Milchstraße entstanden sind, die etwa 600 Millionen Sonnenmassen an Sternmasse (ohne Dunkle Materie) gehabt haben soll – etwa die Masse der Kleinen Magellanschen Wolke. Mit dunkler Materie wären es ca. 2,4 Milliarden Sonnenmassen, etwa 1/4 der mutmaßlichen Masse der dicken Scheibe der Milchstraße zur Zeit der Kollision (10 Milliarden Sonnenmassen), was ausgereicht haben dürfte, diese so aufzuheizen, wie wir sie heute vorfinden. Etwa 30.000 Sterne in der Sonnenumgebung gehören zur “blauen” Population. Bis zu 80% der Halosterne könnten auf diese Kollision zurückgehen, schätzt Autorin Helmi. Nicht weniger als 13 Kugelsternhaufen bewegen sich synchron zu den Sternen der eingefangenen Galaxie und dürften von ihr beigetragen worden sein.

Und so könnte die Kollision abgelaufen sein (wobei hier die blauen Sterne von der Milchstraße stammen und die einschlagende Galaxie in Rot dargestellt ist):

 

Wie man Galaxien vernünftig benennt…

Im Gegensatz zu den britischen Kollegen (“Würstchengalaxie”) haben sich die Niederländer richtig Mühe gegeben, einen würdevollen Namen für ihre Galaxie zu finden. In der griechischen Sagenwelt war der Titan Enceladus, Sohn der Erdgöttin Gaia und des Uranus, ein Riese, der später unter dem Ätna begraben wurde und für die Beben auf Sizilien verantwortlich sein sollte. Das Team nannte die Galaxie Gaia-Enceladus, weil sie ein Abkömmling der Sonde Gaia ist, riesig im Vergleich zu anderen, von der Milchstraße verschlungen Zwerggalaxien, weil sie in der Milchstraße begraben ist und für die Erschütterung der Milchstraßenscheibe verantwortlich ist, die zur Entstehung der dicken Scheibe führte. Damit es keine Verwechslung mit dem Saturnmond Enceladus gibt, wurde die Gaia im Namen vorangestellt.

Bezüglich der Namenswahl würde ich mal werten: The Netherlands – twelve points / les Pays-bas: douze points!

 

Referenzen

[1] Amina Helmi, Carine Babusiaux et al., “The merger that led to the formation of the Milky Way’s inner stellar halo and thick disk”, Nature, 1. November 2018; arXiv: 1806.06038.

[2] Kim Venn, “Evidence of ancient Milky Way merger“, News & Views, Nature-Webseite, 31.10.2018.

[3] Camille M. Carlisle, “Ancient Wreckage in the Milky Way“, Sky-&-Telescope-Webseite, 31.10. 2018.

 

 

 

 

 

Stichworte: , , ,
Mehr

Kommentare (7)

  1. #1 Funktionalistiker
    23. November 2018

    Interessant:

    Mit meinen Worten:
    So eine Galaxie hat eine „kosmologische Funktion“.
    Für mich selbst steht die Frage, inwieweit die „kosmologische Funktion“ dadurch beeinflusst/gestört wird, wenn Galaxien verschmelzen. (Das Gleiche würde auf Sterne und Schwarze Löcher zutreffen.)

    Aus der Animation geht für mich hervor, dass die kleinere Galaxie entgegen der Bewegungsrichtung der Sterne in die größere Galaxie eindringt. Da dürfte Chaos vorprogrammiert sein, oder?
    Und trotzdem sollte man mal über die „Bilanzen“ einer solchen Galaxienkollision in Bezug beispielsweise auf die Masse, Gravitation und Dunkle Materie nachdenken.
    Auch wäre interessant, welchen Zeitraum die kurze Animation tatsächlich einnehmen würde.

  2. #2 Alderamin
    23. November 2018

    @Funktionalistiker

    So eine Galaxie hat eine „kosmologische Funktion“.

    Von Funktion würde ich nicht reden, wenn’s keinem besonderen Zweck dient (wie etwa ein Vogelflügel) und auch nicht designt ist. Was sollte denn Deiner Meinung nach die Funktion der Milchstraße sein? Sterne hervor zu bringen? Oder Leben? Solches würde ich eher als Folge sehen und die Milchstraße als mutmaßlich notwendige Voraussetzung dafür.

    Für mich selbst steht die Frage, inwieweit die „kosmologische Funktion“ dadurch beeinflusst/gestört wird, wenn Galaxien verschmelzen.

    Wenn die Kollision heftig genug ist, werden die Galaxien so durcheinander gewirbelt, dass die Struktur sich völlig auflöst und eine elliptische Galaxie entsteht. Alles Gas kollabiert entweder zu Sternen oder wird aus den Galaxien herausgeschleudert, so dass irgendwann kein Material für neue, massive, blaue Sterne übrig ist und die Galaxie mit dem schnelleren Sterben heißer, massiver Sterne immer roter wird. Im Falle der Milchstraße und der Andromedagalaxie sollte das so passieren, wie man in dieser Simulation sehen kann.

    Prinzipiell heißt das aber nicht, dass in solchen Galaxien kein Leben entstehen oder überdauern könnte. Rote Sterne leben sehr lange und können viele Milliarden, ja Billionen Jahre lange Licht und Wärme für einen Planeten spenden. Und mit den Explosionen als Supernovae haben die blauen Sterne ihren nötigen Beitrag geleistet, um die Elemente zur Entstehung von Planeten zu liefern, die werden danach nicht mehr gebraucht.

    (Das Gleiche würde auf Sterne und Schwarze Löcher zutreffen.)

    Hmm, wozu sollte man Schwarze Löcher brauchen?

    Auch wäre interessant, welchen Zeitraum die kurze Animation tatsächlich einnehmen würde.

    Dazu habe ich nichts gefunden. Ich habe aber an einer etwas schöneren Version des Videos, das ich bei der Suche auf der Webseite von Helmi fand, mal da, wo ich die Sonne heute verorten würde, die Umläufe der Milchstraße gezählt und kam auf ca. 4 über die Länge des Videos. Eine Runde dauert knappe 250 Millionen Jahre, dann wäre das Video also 1 Milliarde Jahre lang. So als Hausnummer.

  3. #3 Funktionalistiker
    23. November 2018

    Das mit der 1 Mrd. Jahre ist eine Größe, die mir doch immer wieder vor Augen führt, dass wir vom Universum nur eine Momentaufnahme sehen können .
    Funktionalistiker kommt von dem Wort Funktion, der, der sich damit beschäftigt, wie etwas funktioniert.
    Das Wort „Funktion“, bezieht sich hier aber insbesondere darauf, wozu etwas da ist, was passiert und wie etwas funktioniert. Hier nicht gleichzusetzen mit einer zugeordneten Aufgabe.
    Ich verwende diesen Begriff bei allgemeinen Beschreibungen und wenn ich z.B. die astronomisch geprägte Kosmologie in eine Art Material determinierte Form bringe.
    Ich will das mal anreisen. Ich betone anreisen!!!
    1. Materie hat die Funktion etwas(E) zu beinhalten.
    2. Sterne haben die Funktion der
    – Konzentration,
    – der Transformation und der
    – Zerstreuung.
    Das braucht wohl nicht näher erläutert zu werden.
    Und für Galaxien und Schwarze Löcher lässt sich das auch formulieren.
    Das soll genügen. Und Jeder, der den Bedarf hat, kann das entsprechend fortsetzen, so wie ihm das selbst sinnvoll erscheint.
    Was mir z.Z. weiterhelfen könnte, was ich noch nicht gefunden habe, ist die E-Bilanz eines Sternes.
    Gibt es so etwas?

  4. #4 Funktionalistiker
    23. November 2018

    Korrektur:
    Statt anreisen muss natürlich anreißen stehen!

  5. #5 Alderamin
    23. November 2018

    @Funktionalistiker

    Mit Deinem Funktionsbegriff habe ich Probleme, das klingt mir ein bisschen zu teleologisch (und wird von den meisten wahrscheinlich auch so verstanden werden). Ein See ist nicht dazu da, um darauf Boot zu fahren. Der See ist da und man kann darauf Boot fahren. Man kann auch darin schwimmen, er beherbergt Tiere und Pflanzen, kühlt die Umgebung etc. etc. Woran willst Du eine “Funktion” festmachen, die sich niemand ausgedacht hat und die nur eine von sehr vielen Eigenschaften ist?

    Sterne haben nicht die Funktion, Materie zu verdichten, sondern Materie hat die Eigenschaft, unter ihrer eigenen Gravitation zu Sternen zu kollabieren. Sterne haben die Eigenschaft, in ihren Kernen Atomkerne zu fusionieren und transformieren etc.

    Insbesondere in der Biologie muss man bei der Beschreibung der Evolution penibel darauf achten, dass man keine teleologischen Formulierungen verwendet, die den falschen Eindruck erwecken, irgendetwas liefe da planmäßig oder gezielt ab, obwohl hier ganz eindeutig Merkmale entstehen, die bei einem Lebewesen ganz bestimmte Funktionen erfüllen (ein Herz pumpt das Blut durch den Kreislauf usw.) Das kann manchmal schwierig sein, weil unsere Sprache so aufgebaut ist, dass in einem Satz normalerweise irgendein Subjekt irgeneine Handlung durchführt.

    Was mir z.Z. weiterhelfen könnte, was ich noch nicht gefunden habe, ist die E-Bilanz eines Sternes.
    Gibt es so etwas?

    Kommt darauf an, was Du mit Bilanz meinst. Eine Bilanz hat normalerweise Gewinne und Verluste. Bei einem Stern geht Bindungsenergie in den Kernen verloren und wird als Strahlungsenergie freigesetzt.

    Ein Stern wie die Sonne verbrennt ca. 10% seiner Masse in Helium (Rote Zwerge viel mehr, nahe an 100%, weil sie voll konvektiv sind; in der Sonne ist der Kern vom Rest durch eine Zone, in der Wärme nur durch Strahlung transportiert wird, isoliert).

    Man kann ausrechnen, wieviel Energie dabei frei wird (Massendefekt von Helium im Vergleich zu Wasserstoff). Aus der Differenzmasse des verbrannten Wasserstoffs zum daraus gebildeten Helium kann man mit E=mc² die Energiebilanz des Sternenlebens berechnen (für die Zeit auf der Hauptreihe, Wasserstoffbrennen).

    Man kann auch die Leuchtkraft in Watt oder Sonnenleuchtkräften betrachten und daraus berechnen, wieviel Fusion im Stern stattfinden muss, um diese Energie aufzubringen. Das gilt dann allerdings nur für den Moment, denn die Energieabgabe eines Sterns verändert sich mit der Zeit, wenn sich Helium im Kern ansammelt und die Verbrennung sich in ein größeres Volumen und schließlich eine Schale ausdehnt. Alle nötigen Zahlen für die Rechnung kann man in Wikipedia finden.

  6. #6 Funktionalistiker
    23. November 2018

    Danke für den Hinweis.

    Natürlich kann man sich an Formulierungen stören.
    Aber Formulierungen sind eher etwas, worüber man philosophieren kann, nicht aber über die Inhalte bezüglich materieller Befunde.
    Du schreibst:
    „Sterne haben nicht die Funktion, Materie zu verdichten, sondern Materie hat die Eigenschaft, unter ihrer eigenen Gravitation zu Sternen zu kollabieren. Sterne haben die Eigenschaft, in ihren Kernen Atomkerne zu fusionieren und transformieren etc.“
    Genau das sage ich auch mit was „passiert“. Aber eben mit meiner Termini, weil ich manchmal und eben auch in dem Zusammenhang meine eigenen Formulierungen benutze.
    Ich hatte ja geschrieben: Das Wort „Funktion“, bezieht sich hier aber insbesondere darauf, wozu etwas da ist, was passiert und wie etwas funktioniert.

    Genau so philosophieren könnte man dann über Deine Aussage „Sterne haben die Eigenschaft, in ihren Kernen Atomkerne zu fusionieren und transformieren etc.“
    Hier mal dazu meine (ins Unreine geschriebene) Formulierung:
    Atome haben die Eigenschaft, in Ansammlungen, die wir Sterne nennen, unter ihrem eigenen Druck zu fusionieren. (Konzentration- aus 2 mach 1 + / und Transformation – aus H mache He und noch etwas, was dann – wie auch immer – abgestrahlt wird – Zerstreuung)
    Und das mit der „Funktion“, also – wozu etwas da ist, was passiert und wie etwas funktioniert – lässt sich auch für Galaxien und Schwarze Löcher nach meiner Termini formulieren.
    Damit wären wir wieder bei den Galaxien. Das solltest Du aber bitte selbst für Dich erledigen, wenn Du willst (oder lassen, wenn Du nicht willst). Interessant ist es allemal!!!

  7. #7 Oliver Müller
    24. November 2018

    Ich bin bei den Resultaten dieser Arbeit noch ein wenig skeptisch und würde momentan noch Vorsicht walten lassen, da die Sterne dieser Arbeit vorallem dort verdichtet sind, wo auch Gaia die meisten Daten liefert (= scanning law). Eventuell könnte es ein Signal der inkompleten Daten sein. Auch widerspricht das Resultat zum Beispiel dem Resultat des Pristine Surveys (https://arxiv.org/abs/1811.03099), welcher die metal-ärmsten Sterne der Milchstrasse untersucht. Es bleibt also spannend. 🙂