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Galaktische Archäologie Neue 3D-Karte der Milchstraße zeigt rätselhafte Balken

| Autor/ Redakteur: Sarah Hönig* / Dr. Ilka Ottleben

Die Milchstraße ist gewissermaßen unsere Heimat, denn in dieser Galaxie befindet sich das Sonnensystem mit der Erde. Ihre Form als flache Scheibe und die Absorption sichtbaren Lichts durch interstellaren Staub macht ihre Beobachtung und Darstellung jedoch schwierig. Durch geschickte Kombination von Daten ist es Astrophysikern nun gelungen, eine neue, sehr genaue 3D-Karte der Milchstraße zu erstellen, die erstmals auch deren zentrale Balkenstruktur zeigt, deren Entstehung Forschen bislang Rätsel aufgibt.

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Darstellung der Gaia-Daten kombiniert mit anderen Durchmusterungen und StarHorse-Code über einer Illustration der Milchstraße. Mittig ist deutlich eine Balkenstruktur sichtbar.
Darstellung der Gaia-Daten kombiniert mit anderen Durchmusterungen und StarHorse-Code über einer Illustration der Milchstraße. Mittig ist deutlich eine Balkenstruktur sichtbar.
(Bild: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt; Starhorse Overlay: A. Khalatyan)

Potsdam – Durch die Nutzung zusätzlicher Beobachtungen mit boden- und weltraumbasierten Teleskopen im optischen und Infrarotbereich haben WissenschaftlerInnen des Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam AIP und der Universität Barcelona kürzlich neue Entfernungen, Sterneigenschaften und die interstellare Lichtabschwächung durch Staub für etwa 150 Millionen Sterne in unserer Galaxie ermittelt. Dieser Ansatz der Nutzung mehrerer Wellenlängenbereiche ermöglicht eine genauere Kartierung der entferntesten Regionen der Milchstraße, erweitert ihre dreidimensionale Ansicht über frühere Arbeiten hinaus und bildet erstmals den zentralen galaktischen Balken deutlich ab.

Mit Infrarot durch den Staub geschaut

„Wir haben uns insbesondere zwei der in den Gaia-Daten enthaltenen Sternparameter angesehen: die Oberflächentemperatur der Sterne und die Lichtabschwächung, die im Grunde genommen ein Maß dafür ist, wie viel Staub sich zwischen uns und den Sternen befindet, ihr Licht verdeckt und es röter erscheinen lässt“, sagt Dr. Friedrich Anders von der Universität Barcelona, Hauptautor der neuen Studie. „Diese beiden Parameter sind miteinander verbunden, aber wir können sie unabhängig voneinander bewerten, indem wir zusätzliche Informationen hinzufügen, die wir dadurch erhalten, dass wir mittels Infrarotbeobachtungen durch den Staub hindurchschauen.“

Berechnung: Viele Jahre gespart

Das Team kombinierte die zweite Gaia-Datenveröffentlichung mit mehreren Infrarot-Durchmusterungen unter Verwendung eines Computercodes namens Starhorse, der von Co-Autorin Anna Queiroz, Doktorandin in der Gruppe „Milchstraße und die lokale Umgebung“ am AIP, mitentwickelt wurde. Der Code vergleicht die Beobachtungen mit Sternmodellen, um die Oberflächentemperatur von Sternen, die Lichtabschwächung und eine verbesserte Schätzung der Entfernung zu den Sternen zu bestimmen.

Dr. Arman Khalatyan, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe „Supercomputing und E-Science“ am AIP und zweiter Autor der Studie, betont, dass „die Berechnung insgesamt 19 Jahre auf einem einzigen Computer gedauert hätte. Mit der wachsenden Datenmenge werden in Zukunft noch größere Anstrengungen erforderlich sein.“ Die Berechnungen wurden in der Clusteranlage des AIP durchgeführt.

Erstmals galaktischer Balken der Milchstraße in 3D dargestellt

Dadurch erreichten die AstronomInnen eine wesentlich bessere Bestimmung der Entfernungen zu etwa 150 Millionen Sternen – in einigen Fällen beträgt die Verbesserung bis zu 20% oder mehr. Dies ermöglichte es ihnen, die Verteilung der Sterne über die Milchstraße auf viel größere Entfernungen zu verfolgen, als dies nur mit den ursprünglichen Gaia-Daten möglich war.

„Mit der zweiten Gaia-Datenveröffentlichung können wir einen Radius um die Sonne von etwa 6500 Lichtjahren sondieren, aber mit unserem neuen Katalog können wir diese ‚Gaia-Kugel‘ um das Dreifache oder Vierfache erweitern, bis ins Zentrum der Milchstraße“, erklärt Co-Autorin Dr. Cristina Chiappini, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Gruppe „Milchstraße und die lokale Umgebung“ am AIP.

Dort, im Zentrum unserer Galaxie, zeigen die Daten deutlich eine große, längliche Struktur in der dreidimensionalen Verteilung der Sterne: der galaktischen Balken. „Wir wissen, dass die Milchstraße einen Balken hat, so wie andere Balkenspiralgalaxien, aber bisher hatten wir nur indirekte Hinweise aus den Bewegungen von Sternen und Gas oder aus der Sternenzählung in Infrarotdurchmusterungen. Dies ist das erste Mal, dass wir den galaktischen Balken im 3D-Raum sehen, basierend auf geometrischen Messungen von Sternabständen“, erläutert Anders.

Ein Video der 3D Visualisierung finden Sie hier.

Galaktische Archäologie als Fokus

„Wir interessieren uns letztendlich für Galaktische Archäologie: Wir wollen rekonstruieren, wie sich die Milchstraße entwickelt hat, und dazu müssen wir die Geschichte jedes einzelnen ihrer Bestandteile verstehen“, ergänzt Chiappini. „Es ist immer noch unklar, wie sich der Balken gebildet hat – eine große Menge an Sternen und Gas, die sich starr um das Zentrum der Galaxie dreht – aber mit Gaia und anderen bevorstehenden Durchmusterungen der nächsten Jahre sind wir sicherlich auf dem richtigen Weg, dies herauszufinden.“

Nächste Gaia-Datenveröffentlichungen & spektroskopische Durchmusterungen

Mit Blick auf die Zukunft freut sich Queiroz, dass „wir mit der nächsten Gaia-Datenveröffentlichung, die auch niedrigauflösende Spektren für Milliarden von Sternen beinhalten wird, noch bessere galaktische Karten produzieren können, die möglicherweise bis zur anderen Seite der galaktischen Scheibe reichen.” Die dritte Gaia-Datenveröffentlichung, die derzeit für 2021 geplant ist, wird stark verbesserte Entfernungsbestimmungen für eine viel größere Anzahl von Sternen beinhalten und soll Fortschritte beim Verständnis der komplexen Region im Zentrum der Milchstraße ermöglichen.

Chiappini ergänzt: „Spektroskopische Folgeuntersuchungen mit speziellen erdgebundenen Teleskopen werden ergänzende Informationen liefern, insbesondere detaillierte Fingerabdrücke der chemischen Zusammensetzung für viele Millionen Sterne. In Kombination mit Gaia werden diese Untersuchungen, darunter das 4-Meter spektroskopische Multi-Objekt-Teleskop (4MOST) an der europäischen Südsternwarte und die WEAVE-Durchmusterung am William-Herschel-Teleskop in La Palma es uns ermöglichen, die Entstehungsgeschichte der Milchstraße viel detaillierter darzustellen.”

Originalpublikation: F. Anders, A. Khalatyan, C. Chiappini, A. Queiroz, et al. (2019): Photo-astrometric distances, extinctions, and astrophysical parameters for Gaia DR2 stars brighter than G = 18”, Astronomy and Astrophysics, Forthcoming article, Received: 24 April 2019 / Accepted: 27 June 2019, DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/201935765

* S. Hönig: Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP), 14482 Potsdam

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