Künstlerische Darstellung der Fusion zwischen der Gaia-Enceladus-Galaxie und unserer Milchstraße, die vor 10 Milliarden Jahren in den frühen Entstehungsstadien unserer Galaxie stattfand.
Der Gaia-Mission der ESA ist ein großer Durchbruch bei der Entschlüsselung der Entstehungsgeschichte der Milchstraße gelungen.
Anstatt sich allein zu bilden, verschmolz unsere Galaxie vor etwa 10 Milliarden Jahren zu Beginn ihres Lebens mit einer anderen großen Galaxie. Die Beweise sind überall am Himmel um uns herum verstreut, aber es hat Gaia und seine außergewöhnliche Präzision gebraucht, um uns zu zeigen, was sich die ganze Zeit in Sichtweite versteckt hat.
Gaia misst die Position, Bewegung und Helligkeit von Sternen mit beispielloser Genauigkeit.
In den ersten 22 Monaten der Beobachtungen untersuchte ein Astronomenteam unter der Leitung von Amina Helmi von der Universität Groningen, Niederlande, sieben Millionen Sterne – für die die vollständigen 3D–Positionen und -Geschwindigkeiten verfügbar sind – und stellte fest, dass etwa 30.000 von ihnen Teil einer ’seltsamen Sammlung‘ waren, die sich durch die Milchstraße bewegte. Insbesondere die beobachteten Sterne ziehen derzeit an unserer solaren Nachbarschaft vorbei.
Computersimulation der Verschmelzung einer Galaxie wie der jungen Milchstraße, deren Sterne in Cyan dargestellt sind, und einer kleineren Galaxie, die in Rot dargestellt ist.Laut einer Studie, die auf der zweiten Datenveröffentlichung der Gaia-Mission der ESA basiert, schätzen Astronomen, dass ein bedeutendes Verschmelzungsereignis wie das in dieser Animation gezeigte während der frühen Entstehungsstadien der Milchstraße vor zehn Milliarden Jahren stattgefunden hat. Eine solche Fusion hat zu zwei wichtigen Komponenten unserer Galaxie geführt, dem Halo und der dicken Scheibe.Sterne der akkretierten Galaxie, die den Namen Gaia-Enceladus trägt, sind mit den Sternen der Milchstraße durchsetzt und können über den gesamten Himmel gesehen werden, konnten aber nur dank Gaias außergewöhnlicher Präzision enthüllt werden.Die in dieser Animation gezeigte Simulation wird in Papieren von Á beschrieben. Villalobos und A. Helmi erschienen 2008 und 2009.Weitere Informationen: Galaktische Geister: Gaia deckt ein wichtiges Ereignis in der Entstehung der Milchstraße auf. Credit: Koppelman, Villalobos & Helmi, Astronomisches Institut Kapteyn, Universität Groningen, Niederlande
Wir sind so tief in diese Sammlung eingebettet, dass ihre Sterne uns fast vollständig umgeben und so über den größten Teil des Himmels zu sehen sind.
Obwohl sie mit anderen Sternen durchsetzt sind, stachen die Sterne in der Sammlung in den Gaia-Daten hervor, weil sie sich alle auf länglichen Trajektorien in die entgegengesetzte Richtung bewegen wie die Mehrheit der anderen hundert Milliarden Sterne der Galaxie, einschließlich der Sonne.
Sie stachen auch im sogenannten Hertzsprung-Russell-Diagramm hervor, das zum Vergleich von Farbe und Helligkeit von Sternen verwendet wird, was darauf hinweist, dass sie zu einer deutlich unterschiedlichen Sternpopulation gehören.
Die schiere Anzahl der sich seltsam bewegenden Sterne faszinierte Amina und ihre Kollegen, die vermuteten, dass sie etwas mit der Entstehungsgeschichte der Milchstraße zu tun haben könnten, und sich an die Arbeit machten, um ihre Herkunft zu verstehen.
In der Vergangenheit hatten Amina und ihre Forschungsgruppe mit Computersimulationen untersucht, was mit Sternen passiert, wenn zwei große Galaxien verschmelzen. Als sie diese mit den Gaia-Daten verglich, stimmten die simulierten Ergebnisse mit den Beobachtungen überein.
„Die Sammlung von Sternen, die wir mit Gaia gefunden haben, hat alle Eigenschaften, die man von den Trümmern einer galaktischen Fusion erwarten würde“, sagt Amina, Hauptautorin des heute in Nature veröffentlichten Papiers.
Künstlerische Darstellung von Trümmern der Gaia-Enceladus-Galaxie. Gaia-Enceladus verschmolz während seiner frühen Entstehungsphase vor 10 Milliarden Jahren mit unserer Milchstraße, und seine Trümmer sind jetzt in der gesamten Galaxie zu finden. Die Positionen und Bewegungen der Sterne (mit gelben Pfeilen dargestellt) sollen die von Sternen darstellen, die ursprünglich zu Gaia-Enceladus gehörten. Sie wurden aus einer vorhandenen Computersimulation einer Fusion extrahiert, die ähnliche Eigenschaften aufweist wie die von Gaia aufgedeckte.
Mit anderen Worten, die Sammlung ist das, was sie von Sternen erwartet haben, die einst Teil einer anderen Galaxie waren und von der Milchstraße konsumiert wurden. Die Sterne bilden jetzt den größten Teil des inneren Halos unserer Galaxie – eine diffuse Komponente alter Sterne, die zu frühen Zeiten geboren wurden und jetzt den Hauptteil der Milchstraße umgeben, der als zentrale Ausbuchtung und Scheibe bekannt ist.
Die galaktische Scheibe selbst besteht aus zwei Teilen. Da ist die dünne Scheibe, die einige hundert Lichtjahre tief ist und das Muster von Spiralarmen enthält, die von hellen Sternen gebildet werden. Und da ist die dicke Scheibe, die einige tausend Lichtjahre tief ist. Es enthält etwa 10-20 Prozent der Sterne der Galaxie, aber seine Herkunft war schwer zu bestimmen.
Den Simulationen des Teams zufolge könnte die akkretierte Galaxie nicht nur die Halo-Sterne liefern, sondern auch die bereits vorhandenen Sterne der Milchstraße gestört haben, um die dicke Scheibe zu bilden.
„Wir wurden uns unserer Interpretation erst sicher, nachdem wir die Gaia-Daten mit zusätzlichen Informationen über die chemische Zusammensetzung von Sternen ergänzt hatten, die von der bodengestützten APOGEE-Durchmusterung geliefert wurden“, sagt Carine Babusiaux, Université Grenoble Alpes, Frankreich, und Zweitautorin des Papiers.
Sterne, die sich in verschiedenen Galaxien bilden, haben einzigartige chemische Zusammensetzungen, die den Bedingungen der Heimatgalaxie entsprechen. Wenn diese Sternensammlung tatsächlich die Überreste einer Galaxie war, die mit unserer verschmolzen ist, sollten die Sterne einen Abdruck davon in ihrer Zusammensetzung zeigen. Und sie taten es.
Die Astronomen nannten diese Galaxie Gaia-Enceladus nach einem der Riesen in der antiken griechischen Mythologie, der die Nachkommen von Gaia, der Erde, und Uranus, dem Himmel, war.
„Der Legende nach wurde Enceladus unter dem Ätna in Sizilien begraben und war für lokale Erdbeben verantwortlich. In ähnlicher Weise waren die Sterne von Gaia-Enceladus tief in den Gaia-Daten vergraben und haben die Milchstraße erschüttert, was zur Bildung ihrer dicken Scheibe führte „, erklärt Amina.
Obwohl keine weiteren Beweise benötigt wurden, fand das Team auch Hunderte von variablen Sternen und 13 Kugelsternhaufen in der Milchstraße, die ähnlichen Bahnen folgen wie die Sterne von Gaia-Enceladus, was darauf hindeutet, dass sie ursprünglich Teil dieses Systems waren.
Kugelsternhaufen sind Gruppen von bis zu Millionen von Sternen, die durch ihre gegenseitige Schwerkraft zusammengehalten werden und das Zentrum einer Galaxie umkreisen. Die Tatsache, dass so viele Galaxienhaufen mit Gaia-Enceladus in Verbindung gebracht werden könnten, ist ein weiterer Hinweis darauf, dass dies einst eine große Galaxie mit einem eigenen Gefolge von Kugelsternhaufen gewesen sein muss.
Weitere Analysen ergaben, dass diese Galaxie etwa so groß war wie eine der Magellanschen Wolken – zwei Satellitengalaxien, die etwa zehnmal kleiner waren als die aktuelle Größe der Milchstraße.
Vor zehn Milliarden Jahren, als die Fusion mit Gaia-Enceladus stattfand, war die Milchstraße selbst viel kleiner, so dass das Verhältnis zwischen den beiden eher vier zu eins war. Es war daher eindeutig ein schwerer Schlag für unsere Galaxie.
Eine künstlerische Darstellung unserer Milchstraße, einer etwa 13 Milliarden Jahre alten ‚vergitterten Spiralgalaxie‘, in der einige hundert Milliarden Sterne leben. Links zeigt eine Frontalansicht die Spiralstruktur der Galaktischen Scheibe, in der sich die meisten Sterne befinden, durchsetzt von einer diffusen Mischung aus Gas und kosmischem Staub. Die Scheibe misst etwa 100.000 Lichtjahre und die Sonne sitzt etwa auf halber Strecke zwischen ihrem Zentrum und ihrer Peripherie. Rechts zeigt eine Kantenansicht die abgeflachte Form der Scheibe. Beobachtungen deuten auf eine Unterstruktur hin: Eine dünne, etwa 700 Lichtjahre hohe Scheibe, eingebettet in eine dicke Scheibe, etwa 3000 Lichtjahre hoch und mit älteren Sternen besiedelt. Der sichtbare Rand zeigt auch die Galaktische Ausbuchtung, die sich im zentralen Teil der Milchstraße befindet und etwa 10 Milliarden Sterne beherbergt, die hauptsächlich alt und rot sind. Die Ausbuchtung, die auch auf der linken Seite sichtbar ist, hat eine insgesamt längliche Form, die der eines erdnussförmigen Balkens ähnelt, mit einer halben Länge von etwa 10.000 Lichtjahren, was die Milchstraße zu einer vergitterten Spiralgalaxie macht. Jenseits der Scheibe und der Ausbuchtung befindet sich der Sternhalo, eine ungefähr kugelförmige Struktur mit einem Radius von etwa 100.000 Lichtjahren, die isolierte Sterne sowie viele Kugelsternhaufen enthält – große, kompakte Konglomerate einiger der ältesten Sterne in der Galaxie. In größerem Maßstab ist die Milchstraße in einen noch größeren Halo unsichtbarer dunkler Materie eingebettet.
“ Zu sehen, dass wir jetzt beginnen, die Entstehungsgeschichte der Milchstraße zu entschlüsseln, ist sehr aufregend „, sagt Anthony Brown, Co-Autor der Studie und Vorsitzender des Gaia Data Processing and Analysis Consortium Executive.
Seit den ersten Diskussionen über den Bau von Gaia vor 25 Jahren bestand eines der Hauptziele der Mission darin, die verschiedenen Sternströme in der Milchstraße zu untersuchen und ihre frühe Geschichte zu rekonstruieren. Diese Vision zahlt sich aus.
„Gaia wurde gebaut, um solche Fragen zu beantworten“, sagt Amina. „Wir können jetzt sagen, dass sich die Galaxie auf diese Weise in diesen frühen Epochen gebildet hat. Es ist fantastisch. Es ist einfach so schön und man fühlt sich so groß und so klein zugleich.“
„Durch das Lesen der Bewegungen von Sternen, die über den Himmel verstreut sind, können wir jetzt die Geschichte der Milchstraße zurückspulen und einen wichtigen Meilenstein in ihrer Entstehung entdecken, und dies ist dank Gaia möglich“, schließt Timo Prusti, Gaia-Projektwissenschaftler bei der ESA.
Publikation: „The merger that led to the formation of the Milky Way’s inner stellar halo and thick disk“ von A. Helmi et al. ist in Nature erschienen.