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Astronomie+Physik

Milchstraße ist weniger homogen als gedacht

Milchstraße
Wasserstoffgas (magenta) strömt in die Milchstraße ein. Der Ausschnitt zeigt die solare Nachbarschaft. (Bild: Mark A. Garlick)

Unsere Heimatgalaxie besteht nicht nur aus Sternen und Planeten, sondern auch aus großen Mengen interstellarer Gase, die zwischen den Himmelskörpern verteilt sind. Bisher galt dieses interstellare Medium als relativ gut durchmischt und homogen. Doch jetzt belegen neue Beobachtungsdaten, dass das Gas der Milchstraße weit klumpiger und inhomogener verteilt ist als bislang angenommen. Vor allem der Gehalt an schwereren Elementen, die unter anderem durch Supernovae in die galaktische Umwelt freigesetzt werden, ist an vielen Stellen bis zu zehnfach niedriger als im Umfeld unseres Sonnensystems. Das stellt gängige Modelle in Frage.

Obwohl die Milchstraße unsere galaktische Heimat ist, sorgt sie immer wieder für Überraschungen. Denn Astronomen haben längst nicht alle ihre Geheimnisse gelüftet. Ein Grund dafür ist die Lage unseres Sonnensystems: Weil wir Teil der rotierenden Scheibe sind, in der ein Großteil der Sterne, der Gase und des Staubs um das galaktische Zentrum rotieren, haben wir keine uneingeschränkte Sicht. Viele Bereiche der Galaxie werden durch Staubwolken oder das galaktische Zentrum verdeckt, zudem ist es schwer, großräumige Strukturen aus ihrem Inneren heraus zu kartieren. Unter anderem deshalb beruhen einige Annahmen über die Galaxienentwicklung und -zusammensetzung auf theoretischen Modellen und Rückschlüssen aus Beobachtungen ähnlicher Galaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft.

Diesen Modellen zufolge setzt sich das interstellare Medium unserer Galaxie primär aus drei Komponenten zusammen: dem aus dem intergalaktischen Raum einströmenden Wasserstoffgas, dem durch Supernovae mit schwereren Elementen angereicherten Gas zwischen den Sternen und dem Staub, der aus der Kondensation der in diesem Gas vorhandenen Elemente entsteht. „Galaxien werden durch das von außen kommende ‚jungfräuliche‘ Gas verjüngt, weil dieses den Rohstoff für die Sternbildung darstellt“, erklärt Erstautorin Annalisa De Cia von der Universität Genf. Erst durch die Kernfusion in den Sternen entstehen schwerere Elemente, die in der Astronomie ungeachtet ihres chemischen Verhaltens alle als Metalle bezeichnet werden.

Sternenlicht verrät schwere Elemente

Bisher gingen Modelle davon aus, dass sich alle drei Komponenten des interstellaren Mediums durch die Rotation und Strömungen innerhalb der Milchstraße miteinander vermischen, sodass insgesamt eine weitgehend homogene Verteilung entsteht. Konkret ermittelten einige Forscher kürzlich, dass beispielsweise eine lokale zehnfache Anreicherung mit Metallen durch eine Supernova sich innerhalb von rund 280 Millionen Jahren über ein Volumen von 0,1 Kubik-Kiloparsec verteilt, wie De Cia und ihre Kollegen berichten. Demnach kommen zwar lokale, vorübergehende Abweichungen durch frische Gaseinströme und Supernovae vor, auf lange Sicht aber sollte der Gasanteil der Milchstraße überall relativ ähnlich zusammengesetzt sein.

Ob das tatsächlich so ist, haben nun De Cia und ihre Kollegen mithilfe von Spektralmessungen im ultravioletten Licht überprüft. Dafür visierten sie 25 verschiedene Sterne mit dem Hubble-Weltraumteleskop und dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile an. „Wenn wir einen Stern beobachten, absorbieren die Metalle, die sich im Gas zwischen dem Stern und uns befinden, einen kleinen Anteil des Lichts in spezifischen Frequenzen“, erklärt Co-Autor Patrick Petitjean von der Sorbonne Universität in Paris. „Das erlaubt es uns nicht nur, ihre Präsenz zu detektieren, sondern auch zu bestimmen, welches Element es ist und wie häufig es ist.“ Weil der ebenfalls im interstellaren Medium vorhandene Staub die Messungen verfälschen kann, nutzten die Astronomen die relativen Anteile der verschiedenen Metalle, um die Werte so zu korrigieren, dass dessen Einfluss berücksichtigt wird.

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Inhomogen und weniger metallisch

Die Analysen enthüllen, dass die Elementverteilung im interstellaren Medium weit weniger homogen ist als es die theoretischen Modelle vorhersagen. „Das bemerkenswerteste Ergebnis ist, dass die größten Schwankungen in unseren Sichtlinien sich um mehr als eine Größenordnung unterscheiden“, berichten De Cia und ihr Team. „Zwei Drittel unserer Stichproben zeigen zudem subsolare Metallizitäten.“ Demnach entspricht der Anteil schwerer Elemente – zumindest in den gemessenen Abschnitten des interstellaren Mediums – nicht dem in der solaren Umgebung, sondern liegt im Schnitt bei 55,7 Prozent des solaren Werts, wie die Astronomen ermittelt haben. Zudem stellten sie deutliche lokale Unterschiede fest, bei denen einige Bereiche eher metallreich waren, andere dagegen nur eine Metallizität von 17 Prozent des solaren Werts aufwiesen.

Nach Ansicht von De Cia und ihrem Team deutet dies darauf hin, dass sich vor allem das frisch von außen einströmende Gas weniger schnell und gründlich mit dem interstellaren Medium mischt als es die Theorie vorgibt. Dadurch könnten Taschen von ursprünglichem, metallarmem Gas in der Milchstraße nicht nur länger erhalten bleiben als bisher gedacht, sie könnten sogar sehr häufig vorkommen, wie die Forscher erklären. „Diese Entdeckung spielt eine Schlüsselrolle für die Entwicklung theoretischer Modelle zur Bildung und Entwicklung von Galaxien“, sagt Co-Autor Jens-Kristian Krogager von der Universität Genf. „Von jetzt an müssen wir in unseren Simulationen die Auflösung erhöhen, um auch diese lokalen Veränderungen der Metallizität an verschiedenen Orten der Milchstraße erfassen zu können.“

Quelle: Annalisa De Cia (Universität Genf) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03780-0

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