Detaillierte Karte des kosmischen Staubs der Milchstraße

Astro­no­men des Max-Planck-Insti­tuts für Astro­no­mie haben die ers­te detail­lier­te 3D-Kar­te der Eigen­schaf­ten von kos­mi­schem Staub in unse­rer Hei­mat­ga­la­xie erstellt. Sie ver­wen­de­ten dafür 130 Mil­lio­nen Spek­tren der ESA-Mis­si­on Gaia, Ergeb­nis­se der LAMOST-Durch­mus­te­rung und maschi­nel­les Ler­nen. Staub lässt weit ent­fern­te astro­no­mi­sche Objek­te röt­li­cher und leucht­schwä­cher erschei­nen, als sie es in Wirk­lich­keit sind. Eine Kar­te wie die­se hilft Astro­nom­in­nen und Astro­no­men daher, ihre Beob­ach­tun­gen ganz all­ge­mein bes­ser zu ver­ste­hen. Auch zu den Eigen­schaf­ten des Staubs selbst hat die Stu­die neue Ergeb­nis­se gelie­fert, die jetzt wei­te­re For­schung erfor­der­lich machen.

Wenn Astronom*innen fer­ne Him­mels­ob­jek­te beob­ach­ten, gibt es einen mög­li­chen Haken: Ist der Stern, den ich beob­ach­te, wirk­lich so röt­lich, wie er erscheint? Oder sieht er nur des­we­gen so röt­lich aus, weil sein Licht durch eine Wol­ke kos­mi­schen Staubs rei­sen muss­te, um mein Tele­skop zu errei­chen? Für genaue Beob­ach­tun­gen müs­sen die Astro­no­men wis­sen, wie viel Staub sich zwi­schen ihnen und ihren fer­nen Zie­len befin­det. Staub lässt Objek­te nicht nur röt­lich erschei­nen („Rötung“), son­dern lässt sie auch leucht­schwä­cher erschei­nen, als sie tat­säch­lich sind („Aus­lö­schung“). Unser Blick auf fer­ne Objek­te fällt qua­si durch ein schmut­zi­ges Fens­ter. Jetzt haben zwei Astro­no­men eine 3D-Kar­te erstellt, die die Eigen­schaf­ten von Staub in unse­rer kos­mi­schen Umge­bung so detail­liert doku­men­tiert wie nie zuvor. Damit las­sen sich die Staub-Effek­te bei der Inter­pre­ta­ti­on von Beob­ach­tun­gen ange­mes­sen berücksichtigen.

Hin­ter­grund ist, dass die Betrach­tung von Ster­nen glück­li­cher­wei­se eine Mög­lich­keit lie­fert, die Wir­kung von Staub zu rekon­stru­ie­ren. Kos­mi­sche Staub­teil­chen absor­bie­ren und streu­en das Licht nicht gleich­mä­ßig über alle Wel­len­län­gen hin­weg. Statt­des­sen absor­bie­ren sie Licht stär­ker bei kür­ze­ren Wel­len­län­gen (zum blau­en Ende des Spek­trums hin) und weni­ger stark bei län­ge­ren Wel­len­län­gen (zum roten Ende hin). Die Wel­len­län­gen­ab­hän­gig­keit kann als „Extink­ti­ons­kur­ve“ auf­ge­zeich­net wer­den. Die Form jener Kur­ve gibt nicht nur Auf­schluss über die Zusam­men­set­zung des Staubs, son­dern auch über sei­ne loka­le Umge­bung, z. B. über die Men­ge und die Eigen­schaf­ten der Strah­lung in den ver­schie­de­nen Regio­nen des inter­stel­la­ren Raums.

Informationen aus 130 Millionen Spektren

Die­se Art von Infor­ma­tio­nen nutz­ten Xian­gyu Zhang, Dok­to­rand am Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie (MPIA), und Gre­go­ry Green, Lei­ter einer unab­hän­gi­gen For­schungs­grup­pe (Sof­ja-Kovalevs­ka­ja-Grup­pe) am MPIA und Zhangs Dok­tor­va­ter, um die bis­her detail­lier­tes­te 3D-Kar­te der Eigen­schaf­ten des Staubs in der Milch­stra­ße zu erstel­len. Kon­kret grif­fen Zhang und Green auf Daten der ESA-Mis­si­on Gaia zurück, die über die letz­ten 10 Jah­re hin­weg extrem genaue Mes­sun­gen der Posi­tio­nen, Bewe­gun­gen und wei­te­rer Eigen­schaf­ten von mehr als einer Mil­li­ar­de Ster­nen in unse­rer Milch­stra­ße und in unse­ren nächs­ten galak­ti­schen Nach­barn, den Magel­lan­schen Wol­ken, vor­ge­nom­men hat.

Die drit­te Daten­ver­öf­fent­li­chung (DR3) der Gaia-Mis­si­on, die im Juni 2022 ver­öf­fent­licht wur­de, stellt außer­dem 220 Mil­lio­nen Spek­tren zur Ver­fü­gung. Nach einer Qua­li­täts­prü­fung fan­den Zhang und Green, dass rund 130 Mil­lio­nen der Spek­tren sich für ihre Unter­su­chun­gen von Staub in der Milch­stra­ße eigneten.

Die Gaia-Spek­tren sind nied­rig auf­ge­löst, d. h., die Art und Wei­se, wie sie das Licht in ver­schie­de­ne Wel­len­län­gen­be­rei­che auf­tei­len, ist ver­gleichs­wei­se grob. Die bei­den Astro­no­men fan­den aber einen Weg, die­se Ein­schrän­kung zu umge­hen: Für 1 % der von ihnen aus­ge­wähl­ten Ster­ne gibt es hoch­auf­lö­sen­de Spek­tren aus der LAMOST-Durch­mus­te­rung der chi­ne­si­schen Natio­nal­ob­ser­va­to­ri­en. Die lie­fern zuver­läs­si­ge Infor­ma­tio­nen über die grund­le­gen­den Eigen­schaf­ten der betref­fen­den Ster­ne, wie z. B. ihre Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tu­ren, die den so genann­ten „Spek­tral­typ“ eines Sterns bestimmen.

Eine 3D-Karte der Staubeigenschaften

Zhang und Green trai­nier­ten dann ein neu­ro­na­les Netz dar­auf, für unter­schied­li­che Stern­ei­gen­schaf­ten und unter­schied­li­che Eigen­schaf­ten des Staubs rea­lis­ti­sche Modell­spek­tren zu erzeu­gen. Die­se Bei­spiel­spek­tren ver­gli­chen sie mit den 130 Mil­lio­nen Gaia-Spek­tren. Dar­aus konn­ten sie mit Hil­fe geeig­ne­ter sta­tis­ti­scher Ver­fah­ren erschlie­ßen, wel­che Eigen­schaf­ten der kos­mi­sche Staub zwi­schen uns und jenen 130 Mil­lio­nen Ster­nen hat.

Aus den Ergeb­nis­sen konn­ten die Astro­no­men die ers­te detail­lier­te, drei­di­men­sio­na­le Kar­te der Extink­ti­ons­kur­ve von Staub in der Milch­stra­ße rekon­stru­ie­ren. Das war nur auf­grund der Viel­zahl der ver­füg­ba­ren Stern­spek­tren: 130 Mil­lio­nen, im Ver­gleich zu frü­he­ren Arbei­ten, die auf rund einer Mil­li­on Spek­tren basierten.

Aber Staub ist in der Astro­no­mie viel mehr als nur ein Ärger­nis. Er spielt eine wich­ti­ge Rol­le für die Stern­ent­ste­hung. Die näm­lich fin­det in rie­si­gen Gas­wol­ken statt, wel­che durch ihren Staub von der Umge­bungs­strah­lung abge­schirmt wer­den. Neu­ge­bo­re­ne Ster­ne sind von Schei­ben aus Gas und Staub umge­ben, die die Geburts­stät­ten von Pla­ne­ten sind. Die Staub­kör­ner selbst sind die Bau­stei­ne, aus denen schließ­lich die fes­ten Kör­per von Pla­ne­ten wie unse­rer Erde ent­ste­hen. Tat­säch­lich sind im inter­stel­la­ren Medi­um unse­rer Gala­xie die meis­ten Ele­men­te, die schwe­rer als Was­ser­stoff und Heli­um sind, in inter­stel­la­ren Staub­kör­nern eingeschlossen.

Unerwartete Eigenschaften des kosmischen Staubs

Die neu­en Ergeb­nis­se lie­fern nicht nur eine genaue 3D-Kar­te. Sie haben auch eine über­ra­schen­de Eigen­schaft inter­stel­la­rer Staub­wol­ken ans Licht gebracht. Bis dahin hat­te man erwar­tet, dass die Extink­ti­ons­kur­ve für Regio­nen mit höhe­rer Staub­dich­te fla­cher (sprich: weni­ger stark von der Wel­len­län­ge abhän­gig) wer­den soll­te. „Höhe­re Dich­te“ bedeu­tet in die­sem Fall immer noch sehr wenig an Mate­ri­al: etwa zehn Mil­li­ards­tel Mil­li­ards­tel Gramm Staub pro Kubik­me­ter, was gera­de ein­mal 10 kg Staub in einer Kugel mit dem Radi­us der Erde ent­spricht. Aber bereits in sol­chen Regio­nen etwas erhöh­ter Dich­te nei­gen die Staub­kör­ner dazu, grö­ßer zu wer­den, und das ver­än­dert die Absorp­ti­ons­ei­gen­schaf­ten jener Regio­nen insgesamt.

Die jetzt ver­öf­fent­lich­te Stu­die zeigt aller­dings etwas ande­res: ihr zufol­ge wird die Extink­ti­ons­kur­ve in Gebie­ten mit mitt­le­rer Dich­te im Gegen­teil stei­ler. Dort wird also bei klei­ne­ren Wel­len­län­gen zuneh­mend effek­ti­ver absor­biert als bei län­ge­ren. Zhang und Green ver­mu­ten, dass die uner­war­tet star­ke Wel­len­län­gen­ab­hän­gig­keit durch eine Sor­te von Mole­kü­len namens poly­zy­kli­sche aro­ma­ti­sche Koh­len­was­ser­stof­fe (PAK) ver­ur­sacht wer­den könn­te, den häu­figs­ten Koh­len­was­ser­stof­fen im inter­stel­la­ren Medi­um, die mög­li­cher­wei­se sogar bei der Ent­ste­hung des Lebens eine Rol­le gespielt haben könn­ten. Wei­te­re Beob­ach­tun­gen, um die­se Hypo­the­se zu prü­fen, haben die bei­den bereits geplant.

Hintergrundinformationen

Die hier vor­ge­stell­ten Ergeb­nis­se wur­den ver­öf­fent­licht unter dem Titel „Three-dimen­sio­nal maps of the inter­stel­lar dust extinc­tion cur­ve within the Mil­ky Way gala­xy“ von Xian­gyu Zhang und Gre­go­ry M. Green in der Zeit­schrift Sci­ence. Bei­de Autoren arbei­ten am Max-Planck-Insti­tut für Astronomie.

MP

Link zur Pres­se­mit­tei­lung des MPIA