Junge Sternhaufen im Fokus naher Galaxien

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Astronominnen und Astronomen haben mithilfe des NASA/ESA/CSA James-Webb-Weltraumteleskops – in Kombination mit dem NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskop – einen tiefen Blick auf Tausende junger Sternhaufen in vier nahegelegenen Galaxien geworfen und dabei Sternhaufen in verschiedenen Entwicklungsstadien untersucht. Ihre Ergebnisse zeigen, dass massereichere Sternhaufen schneller aus den Wolken hervortreten, in denen sie entstehen, dabei Gas vertreiben und die Galaxie mit ultraviolettem Licht durchfluten. Das Ergebnis verschafft uns ein detaillierteres Verständnis der Sternentstehung in Galaxien sowie darüber, wie und wo sich Planeten bilden können.

Messier 51 (JWST) — Dieses Bild zeigt einen Ausschnitt aus einem der Spiralarme von Messier 51 (M51), einer der vier in dieser Arbeit untersuchten Galaxien, aufgenommen mit der Nahinfrarotkamera (NIRCam) des Webb-Teleskops – Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Pedrini, A. Adamo (Stockholm University) and the FEAST JWST team

Astronomen wissen schon lange, dass das Verständnis der Entstehung von Sternhaufen der Schlüssel zur Entschlüsselung weiterer Geheimnisse der galaktischen Entwicklung ist.Sterne entstehen in Haufen, die entstehen, wenn Gaswolken unter dem Einfluss der Schwerkraft kollabieren. Während in einer kollabierenden Wolke immer mehr Sterne entstehen, zerstreuen starke Sternwinde, intensive ultraviolette Strahlung und die Supernova-Explosionen massereicher Sterne die Wolke schließlich und beenden die Sternentstehung, bevor das gesamte Gas aufgebraucht ist. Sobald die Gaswolke, in der ein Sternhaufen entstanden ist, verschwunden ist, kann sein Licht auch auf andere sternbildende Regionen in der Galaxie einwirken. Dieser Prozess wird als stellare Rückkopplung bezeichnet und bedeutet, dass der größte Teil des Gases in einer Galaxie nie für die Sternentstehung genutzt wird. Die Erforschung der Entwicklung von Sternhaufen kann daher Fragen zur Sternentstehung auf galaktischer Ebene beantworten.

Studien der nächstgelegenen Sternentstehungsgebiete – in unserer Milchstraße sowie in den Zwerggalaxien, die sie umkreisen – ermöglichen es uns, Sternhaufen bis ins kleinste Detail zu analysieren; unsere Position innerhalb der Scheibe unserer eigenen Galaxie bedingt jedoch, dass uns nur wenige solcher Regionen direkt zugänglich sind. Durch die Beobachtung nahegelegener Galaxien können Astronomen hingegen Tausende von Sternentstehungsgebieten erfassen und ganze Populationen von Sternhaufen in unterschiedlichsten Entwicklungsstadien charakterisieren – eine Leistung, die erst durch den Einsatz von Weltraumteleskopen ermöglicht wurde, allen voran durch das Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA. Beide Untersuchungsansätze sind unverzichtbar, um die Mechanismen der Sternentstehung in Galaxien umfassend zu begreifen.

Messie 51 (JWST) Detail — Dieses Bild zeigt einen Sternentstehungskomplex in einem der Spiralarme von Messier 51 (M51), der einen Durchmesser von fast 800 Lichtjahren hat. M51 ist etwa 27 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Die dichte Wolke aus sternbildendem Gas, in der Klumpen kollabierten und so die einzelnen Sternhaufen bildeten, ist hier in Rot- und Orangetönen dargestellt, die das von ionisiertem Gas, Staubkörnern und komplexen Molekülen wie polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) emittierte Infrarotlicht wiedergeben. – Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Pedrini, A. Adamo (Stockholm University) and the FEAST JWST team

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Infrarotastronomie hat es uns ermöglicht, den „gasförmigen Vorhang“ zu lüften, der die jüngsten Sternhaufen noch immer verhüllt, und so Einblicke in die frühesten Phasen ihrer Entwicklung zu gewinnen. Dennoch geben einige Phänomene den Forschern nach wie vor Rätsel auf. Eine dieser Fragen lautet beispielsweise: Welche Faktoren bestimmen bei der Entstehung eines Sternhaufens, wie lange es dauert, bis dieser seine Geburtswolke aufgelöst hat und beginnt, ultraviolettes Licht in die Galaxie hinaus abzustrahlen?

Nun wurde der Stand der Technik weiterentwickelt, indem Hubble und Webb gemeinsam ein breitbandiges Bild von Tausenden junger Sternhaufen liefern. Ein internationales Astronomenteam hat Bilder von vier nahegelegenen Galaxien – Messier 51, Messier 83, NGC 628 und NGC 4449 – aus dem Beobachtungsprogramm FEAST (#1783) eingehend untersucht, um dieses Rätsel zu lösen.Ihre Ergebnisse, die heute in Nature Astronomy veröffentlicht wurden, zeigen, dass es die massereichsten Sternhaufen sind, die ihre gasförmige Hülle am schnellsten abtragen und am frühesten beginnen, ihre Galaxie zu erhellen.

M51, M83, NGC 449, NGC 628 — Dieses Bild zeigt die vier Galaxien, die im Rahmen dieser Forschung untersucht wurden und von denen jede bereits Gegenstand eines „ESA/Webb-Bildes des Monats“ war: Messier 51 (oben links), Messier 83 (oben rechts), NGC 4449 (unten links) und NGC 628 (unten rechts). – Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Pedrini, A. Adamo (Stockholm University) and the FEAST JWST team

Das Team identifizierte in den vier Galaxien fast 9.000 Sternhaufen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien: junge Haufen, die gerade erst beginnen, aus ihren Geburtswolken aus Gas hervorzutreten, Haufen, die das Gas bereits teilweise verdrängt hatten (beide Gruppen basierend auf Webb-Aufnahmen), sowie vollständig freigelegte Haufen, die im optischen Licht sichtbar sind (gefunden auf Hubble-Aufnahmen). Dank der Fähigkeit von Webb, tief in die Gaswolken hineinzublicken, konnten die Forschenden anschließend Masse und Alter jedes einzelnen Haufens anhand seines Lichtspektrums bestimmen. Die massereichsten Haufen waren vollständig hervorgetreten und hatten ihre Gaswolken nach etwa fünf Millionen Jahren verdrängt, während weniger massereiche Haufen zwischen sieben und acht Millionen Jahre alt waren, als sie ihre „Sternenkinderstuben“ verließen.

Die Beantwortung der offenen Frage, welche Sternhaufen ihre Geburtswolken am schnellsten auflösen, vertieft unser Verständnis der Galaxienentstehung. „Simulationen zur Sternentstehung und zum stellaren Rückkopplungsprozess hatten bisher Schwierigkeiten, die Entstehung von Sternhaufen und deren Austritt aus ihren Geburtswolken nachzubilden. Diese Ergebnisse liefern uns wichtige neue Erkenntnisse zu diesem Prozess“, erklärte Angela Adamo von der Universität Stockholm und dem Oskar-Klein-Zentrum in Schweden, eine der Hauptautorinnen der Studie und Projektleiterin des FEAST-Programms.

Massereiche Sternhaufen emittieren aufgrund ihres Reichtums an heißen Sternen naturgemäß den Großteil des ultravioletten Lichts in Galaxien. Diese Studie bestätigt jedoch, dass sie im Vergleich zu masseärmeren Haufen auch einen zeitlichen Vorsprung bei der Erzeugung von stellarem Feedback haben. Zu wissen, wo und wann dieses stellare Feedback während der gesamten Lebensdauer einer Galaxie am stärksten ist, ermöglicht es Astronomen besser vorherzusagen, wie der „Treibstoff“ für die Sternentstehung in der Galaxie verteilt wird und wie sich somit Sterne und Sternhaufen wahrscheinlich bilden.

Auch unsere Theorien zur Planetenentstehung werden durch diese Forschung beeinflusst. Je schneller das Gas innerhalb eines Sternhaufens abgebaut wird, desto früher sind protoplanetare Scheiben um Sterne der starken ultravioletten Strahlung anderer Sterne ausgesetzt und desto weniger Gelegenheit haben sie, weiteres Gas aus dem Nebel anzuziehen. Dies verringert ihre Chancen, Staub anzusammeln und Planeten zu bilden.

„Diese Arbeit bringt Forscher zusammen, die die Sternentstehung simulieren, sowie solche, die mit Beobachtungen arbeiten, und Gruppen, die sich mit der Planetenentstehung befassen“, sagte Alex Pedrini, Hauptautor und ebenfalls an der Universität Stockholm sowie am Oskar-Klein-Zentrum in Schweden tätig. „Mit Hilfe von Webb können wir in die Wiegen von Sternhaufen blicken und die Planetenentstehung mit dem Zyklus der Sternentstehung und der Rückkopplung durch die Sterne in Verbindung bringen.“

Hintergrundinformationen

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop unter Einsatz der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Anpassungen der Ariane 5 für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den Hauptspektrografen NIRSpec sowie 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI bereit, das von einem Konsortium staatlich finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde.

Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

Bildnachweis: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Pedrini, A. Adamo (Universität Stockholm) und das FEAST-JWST-Team