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Archäologie im All Detaillierte Karte zeigt den Baustoff der Sterne

Autor / Redakteur: Dr. Markus Nielbock* / Christian Lüttmann

Wenn man im Weltall Materie findet, ist es mit großer Wahrscheinlichkeit Wasserstoff – der Rohstoff der Sternbildung. Astronomen haben nun neue Daten ausgewertet und den bisher detailliertesten Blick auf die Verteilung von atomarem Wasserstoff in der inneren Milchstraße ermöglicht. Die Wasserstoffspuren geben dabei Hinweise auf die Geschichte unserer Galaxie.

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Atomare Wasserstoffemission eines Ausschnitts aus der THOR-Durchmusterung (oben) und zugehörige fadenförmige Strukturen um das Magdalena-Filament (unten). Die Farben stellen die Emission bei drei Radialgeschwindigkeiten dar
Atomare Wasserstoffemission eines Ausschnitts aus der THOR-Durchmusterung (oben) und zugehörige fadenförmige Strukturen um das Magdalena-Filament (unten). Die Farben stellen die Emission bei drei Radialgeschwindigkeiten dar
(Bild: J. Soler et al. 2020)

Heidelberg – Wasserstoff ist der wichtigste Rohstoff zur Bildung neuer Sterne. Doch obwohl es das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum ist, weiß man noch nicht genau, wie sich dieses Gas zu Wolken zusammensetzt, aus denen schließlich Sterne entstehen. Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Juan Diego Soler vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg hat nun einen wichtigen Schritt zur Beantwortung dieser Frage gemacht.

Anhand von neuen Radiointerferrometer-Daten erstellten die Forscher Karten der Gasverteilung in der inneren Region der Milchstraße mit bisher unerreichter räumlicher Auflösung. „Wir haben die berühmte Spektrallinie des Wasserstoffs bei einer Wellenlänge von 21 cm verwendet“, sagt Yuan Wang, der für die Verarbeitung der Daten verantwortlich war. „Diese Daten liefern gleichzeitig die Gasgeschwindigkeit in der Beobachtungsrichtung. Kombiniert mit einem Modell, das beschreibt, wie sich das Gas in der Milchstraßenscheibe um ihr Zentrum dreht, können wir sogar Distanzen ableiten.“

Ein interstellares Wasserstoffnetz durchdringt die Milchstraße

Um die Verteilung des atomaren Wasserstoffgases besser zu ermitteln, nutzte Soler einen mathematischen Algorithmus, der häufig zur Texterkennung und Satellitenbildanalyse eingesetzt wird. So entdeckte er mit seinem Team ein ausgedehntes und kompliziertes Netzwerk von Filamenten aus Wasserstoff.

Die Astronomen fanden heraus, dass die meisten dieser Filamente parallel zur Scheibe der Milchstraße verlaufen – einschließlich einer 3000 Lichtjahre langen Wasserstoff-Spur, die Soler nach dem längsten Fluss in Kolumbien, Magdalena, benannte. „Maggie [Magdalena] könnte das größte bekannte zusammenhängende Objekt in der Milchstraße sein“, kommentiert Jonas Syed, Doktorand am MPIA. „In den letzten Jahren haben Astronomen viele molekulare Filamente untersucht, aber Maggie scheint rein atomar zu sein. Aufgrund ihrer günstigen Position in der Milchstraße konnten wir sie ausfindig machen.“

Die Galaxie als Pizzateig

Neben dem riesigen Wasserstoff-Fluss im All erregte vor allem eine Ansammlung von vertikalen Filamenten die Aufmerksamkeit der Forscher. Warum diese eine unerwartete Entdeckung waren, beschreibt Studienleiter Soler: „Wie bei dem sich drehenden Pizzateig erwarteten wir, dass die meisten Filamente parallel zur Ebene liegen und durch die Rotation gedehnt werden. Aber als wir viele vertikale Filamente um Regionen fanden, die für ihre hohe Sternentstehungsaktivität bekannt sind, wussten wir, dass wir auf der richtigen Spur waren. Irgendein Prozess muss Material von der galaktischen Ebene weggeblasen haben.“

Für dieses Wegblasen der Filamente aus der Galaxienebene kommen verschiedene Phänomene infrage, etwa massenreiche Sterne, also Sterne mit mehr als der achtfachen Masse der Sonne. Sie tragen durch Winde, ionisierende Strahlung und – am Ende ihres Lebens – durch Supernova-Explosionen große Energiemengen in ihre Umgebung ein.

In der Vergangenheit haben Astronomen die Beobachtungen des atomaren Wasserstoffs genutzt, um die Hüllen um Supernova-Explosionen zu identifizieren, die bis zu ein paar Millionen Jahre alt sind. Die Schockwellen dieser Explosionen führen dazu, dass sich das diffuse und allgegenwärtige Wasserstoffgas in dichteren Wolken anhäuft, von denen die Wissenschaftler annehmen, dass sie die ersten Schritte im Prozess der Sternentstehung sind.

In einem Video von Dr. Juan Diego Soler ist die Visualisierung des detektierten atomaren Wasserstoffs in der Milchstraße gezeigt:

Doch der nun entdeckte Fall ist anders. Denn die meisten der vertikalen Fäden des atomaren Wasserstoffs erscheinen konzentriert in Regionen mit einer langen Geschichte von Sternentstehung. Deshalb bringen die Forscher die Wasserstoff-Filamente mit Ereignissen in Verbindung, die den bereits bekannten Hüllen vorausgingen. „Höchstwahrscheinlich handelt es sich um die Überreste vieler älterer Hüllen, die aufplatzten, als sie den Rand der galaktischen Scheibe erreichten, sich über Millionen von Jahren angesammelt haben und dank der Magnetfelder zusammengehalten wurden“, erläutert Soler.

Die Geschichte der Milchstraße rekonstruieren

Die Ergebnisse und Analysewerkzeuge dieser Studie verknüpfe Beobachtungen mit den physikalischen Prozessen, die zur Ansammlung von Gas führen, das der Entstehung neuer Sterne in der Milchstraße und anderen Galaxien vorausgeht. „Galaxien sind komplexe dynamische Systeme, und man findet nur schwer neue Anhaltspunkte“, sagt Soler. „Archäologen restaurieren Zivilisationen aus den Ruinen von Städten. Paläontologen setzen alte Ökosysteme aus Dinosaurierknochen zusammen. Wir rekonstruieren die Geschichte der Milchstraße anhand der Wolken aus atomarem Wasserstoffgas.“

Originalpublikationen:

J. D. Soler, H. Beuther, J. Syed, Y. Wang et al.: The history of dynamics and stellar feedback revealed by the HI filamentary structure in the disk of the Milky Way, A&A, Volume 642, October 2020, Article Number A163, page 28; DOI: 10.1051/0004-6361/202038882

Y. Wang, H. Beuther, M. R. Rugel, J. D. Soler et al.: The HI/OH/Recombination line survey of the inner Milky Way (THOR): data release 2 and H I overview,A&A, Volume 634, February 2020, Article Number A83, page 20; DOI: 10.1051/0004-6361/201937095

* Dr. M. Nielbock, Max-Planck-Institut für Astronomie, 69117 Heidelberg

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