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ALMA und VLT finden zu viele massereiche Sterne in Starburst-Galaxien nah und fern

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.

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 passt zu einer weiteren Entdeckung im lokalen Universum: 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.

Weitere Informationen

Der Fachartikel "Stellar populations dominated by massive stars in dusty starburst galaxies across cosmic time" mit den ALMA-Resultaten erscheint am 4. Juni 2018 in Nature, der VLT-Artikel “An excess of massive stars in the local 30 Doradus starburst” ist bereits am 5. Januar 2018 in Science veröffentlicht worden.

Das ALMA-Team besteht aus: Z. Zhang (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Großbritannien; European Southern Observatory, Garching bei München), D. Romano (INAF, Astrophysics and Space Science Observatory, Bologna, Italien), R. J. Ivison (European Southern Observatory, Garching bei München; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Großbritannien), P .P. Papadopoulos (Department of Physics, Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, Greece; Research Center for Astronomy, Academy of Athens, Athens, Greece;) und F. Matteucci (Trieste University; INAF, Osservatorio Astronomico di Trieste; INFN, Sezione di Trieste, Trieste, Italien)

Das VLT-Team besteht aus: F. R. N. Schneider (Department of Physics, University of Oxford, Großbritannien), H. Sana (Institute of Astrophysics, KU Leuven, Belgium), C. J. Evans (UK Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Großbritannien), J. M. Bestenlehner (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg; Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Großbritannien), N. Castro (Department of Astronomy, University of Michigan, USA), L. Fossati (Österreichn Academy of Sciences, Space Research Institute, Graz, Österreich), G. Gräfener (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn), N. Langer (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn), O. H. Ramírez-Agudelo (Großbritannien Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Großbritannien), C. Sabín-Sanjulián (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chile), S. Simón-Díaz (Instituto de Astrofísica de Canarias, Teneriffa, Spanien; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Teneriffa, Spanien), F. Tramper (European Space Astronomy Centre, Madrid, Spanien), P. A. Crowther (Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Großbritannien), A. de Koter (Astronomical Institute Anton Pannekoek, Universiteit van Amsterdam, Niederlande; Institute of Astrophysics, KU Leuven, Belgium), S. E. de Mink (Astronomical Institute Anton Pannekoek, Universiteit van Amsterdam, Niederlande), P. L. Dufton (Astrophysics Research Centre, School of Mathematics and Physics, Queen’s University Belfast, Nordirland), M. Garcia (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, Spanien), M. Gieles (Department of Physics, Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey, Großbritannien), V. Hénault-Brunet (National Research Council, Herzberg Astronomy and Astrophysics, Kanada; Department of Astrophysics/Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics, Radboud University, Niederlande), A. Herrero (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chile), S. Simón-Díaz (Instituto de Astrofísica de Canarias, Teneriffa, Spanien; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Teneriffa, Spanien), R. G. Izzard (Department of Physics, Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey, Großbritannien; Institute of Astronomy, The Observatories, Cambridge, Großbritannien), V. Kalari (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chile), D. J. Lennon (European Space Astronomy Centre, Madrid, Spanien), J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiología, CSIC–INTA, European Space Astronomy Centre campus, Villanueva de la Cañada, Spanien), N. Markova (Institute of Astronomy with National Astronomical Observatory, Bulgarian Academy of Sciences, Smolyan, Bulgaria), F. Najarro (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, Spanien), Ph. Podsiadlowski (Department of Physics, University of Oxford, Großbritannien; Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn), J. Puls (Ludwig-Maximilians-Universität München), W. D. Taylor (Großbritannien Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Großbritannien), J. Th. van Loon (Lennard-Jones Laboratories, Keele University, Staffordshire, Großbritannien), J. S. Vink (Armagh Observatory, Nordirland) und C. Norman (Johns Hopkins University, Baltimore, USA; Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA)

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 15 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist außerdem einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1817.