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Astronomie+Physik

Ein uralter Sternenstrom

Sternenstrom
Illustration des Phönix-Sternenstroms (Bild: Geraint F. Lewis/ S5 Collaboration)

Die Randgebiete der Milchstraße umfassen auch zahlreiche Kugelsternhaufen – alte, dichte Ansammlungen von meist fast gleichalten Sternen. Doch jetzt haben Astronomen den zum Sternenstrom zerfaserten Rest eines solchen Haufens entdeckt, der bislang in unserer Galaxie einmalig ist. Denn die in diesem „Phönix-Strom“ getauften Sternenband enthaltenen Sterne haben einen außergewöhnlich niedrigen Gehalt von Eisen und anderen schweren Elementen. Er liegt deutlich unter dem bislang für Sternhaufen als Untergrenze geltenden Wert für diese sogenannte Metallizität. Wie dies möglich ist und ob der Phönix-Strom vielleicht sogar der erste Vertreter einer ganzen Population ist, bleibt bislang offen.

Viele Sterne in unserer Galaxie – wahrscheinlich auch unsere Sonne – wurden einst in Sternhaufen geboren. Diese entstanden aus dichten Ansammlungen von Gas und Staub, die unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabierten und so ganze „Nester“ von Sternen bildeten. Erst später sorgten dann Turbulenzen innerhalb der Galaxie dafür, dass die Haufen auseinandergerissen wurden. Im Außenbereich der Milchstraße, in ihrem Halo, sind jedoch noch rund 150 alte Kugelsternhaufen erhalten. Typisch für diese Ansammlungen von rund hunderttausend bis einer Million Sterne ist das nahezu gleiche Alter ihrer Mitglieder und eine relative Armut an Elementen schwerer als Helium – Astronomen sprechen von einer geringen Metallizität. Dennoch schien es bislang dafür eine Untergrenze zu geben: „Beobachtungen in der Milchstraße und anderen Galaxien haben Belege für einen Metallizitäts-Boden gefunden“, erklären Zhen Wan von der University of Sydney und seine Kollegen. „Demnach wurde kein Kugelsternhaufen mit Metallanteilen von weniger als 0,3 bis 04 Prozent der solaren Metallizität gefunden.“ In Bezug auf das Verhältnis von Eisen zu Wasserstoff liegt diese angenommene Untergrenze bei -2,5.

„Unmöglich“ metallarm

Doch nun haben Wan und sein Team eine überraschende Ausnahme für diese Metallizitäts-Untergrenze entdeckt. Es handelt sich um einen kleinen, schmalen Strom von Sternen, der rund 60.000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt und den die Astronomen „Phönix-Strom“ getauft haben. „Der Phönix-Strom überspannt in seiner Länge rund acht Bogenminuten am Himmel und wurde ursprünglich vom Dark Sky Survey entdeckt“, berichten Wan und sein Team. Um mehr über den Ursprung dieses Sternenstroms herauszufinden, analysierten sie die Bewegungen der Sterne und ihr Spektrum mithilfe des Anglo-Australian Telescope im australischen New South Wales. Aus den Daten schließen die Astronomen, dass der Phönix-Strom wahrscheinlich aus einem Sternenhaufen in der Nachbarschaft der Milchstraße entstand, der vor rund zwei Milliarden Jahren von unserer Galaxie eingefangen und zerrissen wurde. Dieser Vorgänger des Phönix-Stroms umfasste vermutlich kaum mehr als 30.000 Sonnenmassen, wie die Forscher berichten.

Anschließend ermittelten die Forscher die Metallizität der Sterne im Phönix-Strom. Das überraschende Ergebnis: „Mit einer Ausnahme liegen alle gemessenen Metallizitäten für diese Sterne substanziell unterhalb von Fe/H= -2,5“, berichten die Astronomen. Sowohl der Sternenstrom als auch sein Sternenhaufen-Vorgänger umfassen demnach Sterne mit einem extrem geringen Anteil schwererer Elemente – und einer Metallizität, die mit -2,7 deutlich unterhalb der bisher geltenden Untergrenze für Kugelsternhaufen liegt. „Dieser Sternenstrom kommt damit von einem Sternenhaufen, der unserem Verständnis nach gar nicht hätte existieren dürfen“, betont Co-Autor Daniel Zucker von der Macquarie University. Weder in der Milchstraße noch in einer andern Galaxie im lokalen Universum sei bislang ein Kugelsternhaufen mit einer so geringen Metallizität bekannt.

Relikt aus der Frühzeit des Kosmos?

Der Sternenhaufen, aus dem der Phönix-Strom entstand, ist damit bislang ein Unikum – und seine Existenz nur schwer zu erklären. „Eine mögliche Erklärung wäre, dass der Phönix-Strom der letzte seiner Art ist – das Relikt einer Population von Kugelsternhaufen, die unter radikal anderen Bedingungen entstanden sind als sie heute in unserer kosmischen Umgebung herrschen“, mutmaßt Co-Autorin Ting Li von den Observatorien der Carnegie Institution für Science in Pasadena. Das könnte bedeuten, dass es in der Frühzeit der Milchstraße noch deutlich mehr solcher metallarmer Kugelsternhaufen gab, die dann aber im Laufe der galaktischen Evolution zerrissen und zerstört wurden. „Möglicherweise haben wir die Überreste eines dieser Haufen gerade noch rechtzeitig entdeckt, bevor sie für immer im Halo unserer Galaxie verstreut werden“, sagt Wan.

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Dennoch schließen die Astronomen nicht aus, dass es im Halo der Milchstraße noch mehr solcher Relikte uralter Kugelsternhaufen geben könnte. „Sollten wir noch mehr solche Sternenströme finden, dann könnte dies neue Einblicke darin geben, was im frühen Universum vor sich ging“, sagt Li. Möglicherweise, so hoffen die Astronomen, kann das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA dabei helfen, weitere Überreste solcher extrem metallarmen Kugelsternhaufen aufzuspüren. Der Start des Weltraumteleskops ist für Ende 2021 geplant. „Selbst wenn Kugelsternhaufen wie der Vorgänger des Phönix-Stroms nicht mehr existieren, könnten ihre Relikte als dünne Sternenströme weiterbestehen“, sagt Co-Autor Jeffrey Simpson von der University of New South Wales.

Quelle: Zhen Wan (The University of Sydney) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2483-6

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