AM URSPRUNG DER MILCHSTRASSE
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wissen aus
Am Ursprung
der MilchstraSSe
Text: M arkus Pössel
Bi l d: S. Pay n e -Wa r de naa r , K . M a l ha n / M PI fü r A s t ronom i e
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Galaxien, wie wir sie heute
kennen, blicken auf eine bewegte
Vergangenheit zurück. Es gab
schwungvolle Kollisionen, mäch-
tige Gasströme und Phasen
heftiger Sternentstehung – auch
in unserer Heimatgalaxie. Deren
Geschichte rekonstruiert ein
Team um Hans-Walter Rix am
Max-Planck-Institut für Astrono-
mie und betreibt damit eine Art
kosmischer Archäologie.
Max Planck Forschung · 1 | 2023
Physik & Astronomie
Zeugen vergangener
Kollisionen: In der
künstlerischen Darstel-
lung unserer Milchstraße
sind Sternenströme
zu erkennen, die in weiten
Bögen aus der scheiben-
förmigen Spiralgalaxie
ragen und Relikte
von Verschmelzungen mit
anderen Galaxien
darstellen.
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Unsere Milchstraße ist beinahe so alt während der ersten Milliarde Jahre nominnen und Astronomen anhand
wie das Universum und blickt auch nach dem Urknall entstanden. Ihre von Beobachtungsdaten inzwischen
auf eine ähnlich turbulente Ge- Entwicklung lässt sich dabei in man- recht gut rekonstruieren. „Dabei ler-
schichte zurück. Wie die meisten Ga- cher Hinsicht mit der Historie vieler nen wir nicht nur etwas über Anfang
laxien existiert sie bereits seit rund 13 Städte und Staaten vergleichen. De- und Frühzeit unserer Heimatgalaxie,
Milliarden Jahren, sie ist also schon tails ihrer Geschichte können Astro- sondern auch über die Entwicklung
Max Planck Forschung · 1 | 2023
wissen aus
ferner Galaxien, die wir nicht so gut gen und Simulationen. „Dabei haben es deren Licht in die Regenbogen
beobachten können“, erklärt Hans- uns Himmelsdurchmusterungen sehr farben aufspaltet. Anhand dieser Da-
Walter Rix, Direktor am Max-Planck- geholfen“, sagt Hans-Walter Rix. „Sie ten ermittelten Hans-Walter Rix und
Institut für Astronomie. Sein Team haben uns dramatisch bessere und Maosheng Xiang, der ebenfalls am
schreibt an einer ausführlichen Chro- umfassendere Daten geliefert, als zu- Max-Planck-Institut für Astronomie
nik der Milchstraße mit. Dabei gehen vor verfügbar waren.“ Bei Durch- forscht, zunächst die Oberflächen-
die Forschenden ähnlich vor, wie His- musterungen rastern Teleskope Teile temperatur, die Leuchtkraft und die
torikerinnen oder Archäologen die des Nachthimmels und sammeln da- chemische Zusammensetzung von
Geschichte einer Stadt rekonstruie- mit Informationen etwa über die Posi- 250 000 sogenannten Unterriesen.
ren: Für einige Gebäude gibt es ein- tion und die Helligkeit von Sternen. Diese befinden sich in einer relativ
deutige Baudaten. Bei anderen deuten Die Sterne der Milchstraße lassen kurzen Phase der Sternentwicklung,
die Verwendung primitiverer Bauma- sich dabei naturgemäß am besten und in der sich das Alter der Sterne an-
terialien oder die Merkmale älterer detailliertesten untersuchen. hand der verfügbaren Daten sehr ge-
Baustile darauf hin, dass sie früher nau bestimmen lässt. Indem die For-
entstanden sind. Auch der Umstand, schenden die Gaia- und Lamost-Da-
dass Überreste von Gebäuden unter ten genauer betrachteten, erhielten
neueren Strukturen gefunden wer- sie ein klares Bild der frühen Ent-
den, gibt bedeutende Anhaltspunkte. Auf den Punkt wicklung unserer Heimatgalaxie. Im
Nicht zuletzt sind räumliche Muster gebracht Alter von wenigen Milliarden Jahren
wichtig: In vielen Städten gibt es eine durchlief die Milchstraße eine tur-
zentrale Altstadt, die umgeben ist von Ein Team des Max-Planck-Insti- bulente Phase, denn damals ver-
deutlich neueren Stadtteilen. tuts für Astronomie rekonstruiert schmolz sie mit einer anderen Gala-
die frühe Geschichte der Milch- xie, genauer gesagt der Gaia-Encela-
straße unter anderem anhand
Nicht viel anders verhält es sich in der von Daten des Weltraumtele- dus/Sausage-Galaxie.
Milchstraße und anderen Galaxien. skops Gaia, das Positionen und
Zeugnis von deren Vergangenheit le- Bewegungen von Sternen Die beiden Galaxien führten enorme
gen ihre Sterne ab: Auch unter diesen bestimmt sowie Informationen Gasmengen mit sich, die sich bei der
gibt es einige, deren Alter die Astro- über deren Alter liefert. Verschmelzung verdichteten, sodass
66 nomie recht genau bestimmen kann. innerhalb kurzer Zeit zuhauf neue
Im Alter von wenigen Milliarden
Geht das nicht, lässt sich aus der Zu- Jahren vereinigte sich die Milch- Sterne entstanden. Diese sammelten
sammensetzung der Sterne gewisser- straße mit der Gaia-Enceladus/ sich in einem Bereich der Galaxie an,
maßen ihr Baustil bestimmen, der Sausage-Galaxie, in der Folge der in der Astronomie die dicke
zumindest ungefähre Rückschlüsse durchlief sie eine Phase intensiver Scheibe der Milchstraße heißt. Später
auf das Alter erlaubt. Und wie Städte Sternentstehung. ging es in puncto Sternentstehung
einen Bauboom oder intensive Um- viel ruhiger zu: „Nach der turbulen-
Im Kern der Milchstraße
bauphasen durchlaufen können, wird finden sich Sterne, die älter sind ten Frühzeit fand sich deutlich weni-
die Geschichte von Galaxien durch als 12,5 Milliarden Jahre und ger Wasserstoffgas in der Galaxie“,
Kollisionen und Verschmelzungen kurz nach der Verschmelzung sagt Maosheng Xiang. „Es sammelte
geprägt sowie durch große Mengen der Protogalaxien, das heißt sich in derjenigen Struktur an, die wir
an frischem Wasserstoffgas, das über der Vorläufer unserer Galaxie, heute die dünne Scheibe unserer Ga-
entstanden.
Milliarden Jahre hinweg von außen laxie nennen.“
in eine Galaxie einströmen kann – das
Rohmaterial, aus dem sich neue Als Maosheng Xiang und Hans-Walter
Sterne bilden. Ganz am Anfang der Rix die Verschmelzung mit Gaia-En-
Geschichte einer Galaxie stehen da- celadus/Sausage rekonstruierten, fiel
bei kleinere Protogalaxien: Regionen, Für die archäologischen Arbeiten in der ihnen auf, dass daran auch schon rela-
in denen bereits in der ersten Milli- Milchstraße nutzte das Team um tiv alte Sterne beteiligt waren. Das
arde Jahre nach dem Urknall Sterne Hans-Walter Rix die Durchmuste- stellten sie anhand der Bauart dieser
entstanden. Sie bildeten die Keime rungen des ESA-Satelliten Gaia, des Sterne fest, um im Bild der Archäo
der Galaxien, die wir heute kennen. Sloan Digital Sky Survey und des chi- logie zu bleiben. Zumindest ein grobes
nesischen Teleskops Lamost. Gaia Maß für das Alter eines Sterns liefert
Die Milchstraße nahm vermutlich ihren hat bis heute die Positionen, Bahnen dessen Metallizität, das heißt die
Anfang, als drei oder vier solcher und Helligkeiten von fast zwei Milli- Menge an chemischen Elementen in
Protogalaxien verschmolzen, die sich arden Sternen der Milchstraße be- der Sternatmosphäre, die schwerer
in unmittelbarer Nachbarschaft zu stimmt – das entspricht rund einem sind als Helium. Solche Elemente, die
einander gebildet hatten. Eine solche Prozent der gesamten Sternpopula- in der Astronomie Metalle heißen,
Entstehungsgeschichte einer Galaxie tion unserer Heimatgalaxie. Lamost entstehen im Sterninneren durch
rekonstruieren Astronominnen und wiederum misst die Spektren von Kernfusion und werden am Ende des
Astronomen mithilfe von Beobachtun etwa zehn Millionen Sternen, indem Lebens massereicher Sterne in einer
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Supernova freigesetzt. Dadurch rei- ging. „Es war klar, dass wir dabei mit GLOSSAR
chert sich das interstellare Gas mit den Daten der Unterriesen nicht wei-
schwereren Elementen an, und aus je- terkommen würden.“ Unterriesen Metallizität
nem Gas entsteht die nächste Gene sind zu lichtschwach, als dass sie jen- beschreibt in der Astronomie
die Häufigkeit chemischer
ration von Sternen, dann mit höherer seits von Entfernungen von etwa 7000 Elemente, die schwerer sind als
Metallizität. Sterne mit höherer Me- Lichtjahren beobachtet werden könn- Wasserstoff und Helium. Sie lässt
tallizität sind deswegen tendenziell ten. Daher konzentrierten sich die sich aus dem Spektrum eines
jünger als solche mit geringerer Metal- Forscher auf einen anderen Typ von Sterns bestimmen und ist
lizität. Einige Sterne aus der Zeit der Sternen – die Roten Riesensterne. ein grobes Maß für dessen Alter.
Verschmelzung mit Gaia-Enceladus/ Typische Rote Riesen sind etwa hun-
Riesensterne
Sausage weisen eine Metallizität auf, dertmal heller als Unterriesen und heißen sonnenähnliche Sterne,
die darauf hindeutet, dass sie aus den damit auch in der Entfernung des ga- deren Brennvorrat zur Neige
Überresten einer früheren Sternge- laktischen Zentrums und seiner Nach- gegangen ist und die sich daher
neration entstanden sind. barschaft gut zu beobachten. In den aufblähen. Die Astronomie
Gaia-Messungen finden sich Infor- unterscheidet Unterriesen und
„Dass es diese früheren Sterngenera mationen über zahlreiche Rote Rie- Rote Riesen. Unterriesen
befinden sich in einem relativ
tionen gab, hat uns nicht überrascht“, sen, und seit der jüngsten Datenver- kurzen Entwicklungsstadium,
sagt Hans-Walter Rix. „Auf deren öffentlichung im Sommer 2022 sogar sodass sich ihr Alter genau be-
Existenz deuteten bereits aufwendige die zugehörigen Spektren. Eine prä- stimmen lässt. Rote Riesen sind
Simulationen der kosmischen Ge- zise Altersbestimmung wie bei den bis zu 100-mal größer und bis
schichte hin.“ Die Simulationen sagen Unterriesen ist bei den Roten Riesen zu 1000-mal leuchtkräftiger als
unsere Sonne, aber relativ kühl
auch voraus, wo sich heute noch Ver- zwar nicht möglich, doch über ihre
und erscheinen daher rötlich.
treter der früheren Sterngeneratio- Metallizität, die sich anhand der
nen finden lassen sollten: in der rela- Spektren bestimmen lässt, kann man Spektrum
tiv kompakten Kernregion der Milch- ihr Alter zumindest ungefähr ab- bezeichnet die Intensitätsver-
straße, nur ein paar Tausend Licht- schätzen. teilung etwa von Licht abhängig
jahre im Durchmesser. Dieser uralte von der Wellenlänge. Die Linien
im Spektrum eines Sterns sind
Kern im Zentrum unserer Galaxie
dürfte sich aus den ersten Protogala- Künstliche Intelligenz charakteristisch für chemische
Elemente in dessen Atmosphäre. 67
xien gebildet haben, als diese zur
Milchstraße verschmolzen. Und dort
analysiert Spektren
dürften sich die frühen Sterne auch
heute noch finden lassen. Allerdings sind die Spektren von Gaia
zu schlecht aufgelöst, als dass sich die
„Wir haben also überlegt, wie wir diese Spektrallinien verschiedener Elemen- sprechende Algorithmus für jede die-
Sterne aus dem alten Kern unserer te mit herkömmlichen Analysemetho- ser Aufgaben gut trainiert werden.
Galaxie aufspüren können“, sagt Rix, den identifizieren ließen. Aus diesem Hier kam den Forschenden zugute,
der dieses Projekt gemeinsam mit Grund setzte Rix’ Team auf künst dass die Metallizität eines Teils der
René Andrae, Forscher am Max- liche Intelligenz, kurz KI, denn diese Sterne, von denen Gaia Spektren auf-
Planck-Institut für Astronomie, und kann in Daten wesentlich subtilere zeichnete, bereits aus einer anderen
Vedant Chandra, einem Gastdokto- Unterschiede erkennen als andere Himmelsdurchmusterung bekannt
randen der Harvard University, an- Methoden. Allerdings muss der ent- war. Mithilfe dieser Trainingsdaten
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Der alte galaktische Kern: Die Karte
zeigt die Verteilung Roter Riesensterne in
der Milchstraße in ähnlicher Weise, wie
bestimmte Weltkarten die Oberfläche der
Erde darstellen. Im Äquator liegt die Scheibe
der Galaxie, in der Gas und Staub die Sicht
auf die Sterne verdecken. Im Zentrum
(weißer Kreis) befinden sich Sterne, die schon
mehr als 12,5 Milliarden Jahre alt sind.
Max Planck Forschung · 1 | 2023wissen aus
dicke
Scheibe
dÜnne
Scheibe
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Bulge und Balken
Scheibenebene Staubfilament
In der künstlerischen Seitenansicht der Milchstraße sind
das Staubfilament, die kugelförmige Verdickung (Bulge)
und der Balken im Zentrum sowie die Scheibenebene
markiert. Der Ausschnitt links oben zeigt die dicke und
die dünne Scheibe: Die dünne Scheibe misst von der
Scheibenebene nach oben und unten je 750 Lichtjahre. Sie
leuchtet besonders hell, weil dort neben Sternen noch
große Gasmengen vorhanden sind. Das Gas in der dicken
68 Scheibe, die sich nach oben und unten je 2500 Licht-
jahre erstreckt, hat sich weitgehend in Sterne verwandelt.
lernte der Algorithmus, die Metallizi-
galaxie bilden. Der Vergleich mit den waren. „Damit haben wir bestätigt,
tät auch aus den Gaia-Spektren her-
Unterriesen, deren Alter Rix und Xi- was kosmologische Simulationen über
auszulesen. Ob die künstliche Intelli-
ang in der früheren Studie bestimmt die Frühgeschichte unserer Heimat-
genz nach dem Training fit für die
hatten, zeigt, dass dieser alte Kern der galaxie vorhergesagt hatten“, sagt
Milchstraße älter als circa 12,5 Milli- Hans-Walter Rix.
Aufgabe war, überprüften die For-
schenden an Spektren von Sternen,
arden Jahre sein muss. Die Sterne be-
finden sich alle in maximal rund Als Nächstes hoffen die Forschenden,
deren Metallizität ebenfalls bekannt
15 000 Lichtjahren Entfernung vom mit hochaufgelösten Spektren weite-
war, die aber nicht fürs Training ver-
wendet worden waren. Wie sich zeigte,
Zentrum – zum Vergleich: Die ge- rer Himmelsdurchmusterungen die
konnte der Algorithmus die Metalli-
samte Milchstraße erstreckt sich über Positionen und sogar die Bewegungs-
fast 200 000 Lichtjahre. zität aus den Gaia-Spektren mit beein
muster der Sterne im Kern der Milch-
straße genau zu bestimmen. Lassen
druckender Genauigkeit ermitteln.
sich die Sterne bei einer solchen Ana-
So konnte das Team sicher sein, dass die Gesucht sind Sterne
lyse unterscheidbaren Gruppen mit
KI auch für die zwei Millionen
Gaia-Spektren von Roten Riesen in
der Protogalaxien
jeweils charakteristischem Bewe-
gungsmuster zuordnen, so könnten
den inneren Regionen der Milch- diese Gruppen den Protogalaxien
straße zuverlässige Werte hinsichtlich Weitere Analysen der chemischen Zu- entsprechen, aus denen die Milch-
der Metallizität liefern würde. Damit sammensetzung zeigten, dass diese straße entstanden ist. Hans-Walter
konnte das Team dann in der Tat eine Sterne trotz ihres hohen Alters sehr Rix und sein Team wären in ihrer
Population von Sternen mit der pas- wahrscheinlich erst in der Milch- kosmischen Archäologie dann tat-
senden Metallizität identifizieren, die straße entstanden sind, kurz nach- sächlich am Ursprung der Milch-
den uralten Kern unserer Heimat dem die Protogalaxien verschmolzen straße angelangt.
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