Terzan 5 - Kein gewöhnlicher Kugelsternhaufen

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Forscher haben eine neue Klasse von Objekten innerhalb unserer Milchstraße bestätigt: Überbleibsel, die als „Fossilfragmente des Galaxienkerns“ (bulge fossil fragment) bezeichnet werden. Terzan 5 ist der Prototyp dieser Überreste aus der frühen Entstehungsphase unserer Galaxie. Vor Milliarden von Jahren breiteten sich ähnliche Urklumpen aus und verschmolzen zum Galaxienkern der Milchstraße, doch Terzan 5 blieb bis heute intakt. Eine neue Studie, die aktuelle Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA/ESA/CSA mit Daten kombinierte, die über einen Zeitraum von 12 Jahren vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA gesammelt wurden, hat eindeutig gezeigt, dass Terzan 5 bis zu vier verschiedene Phasen der Sternentstehung durchlaufen hat, was bestätigt, dass es sich nicht um einen echten Kugelsternhaufen handelt, sondern um etwas viel Ungewöhnlicheres und Selteneres.

Terzan 5 befindet sich 22.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schütze. Es enthält etwa die zweimillionenfache Sonnenmasse in einem Sternsystem mit nur wenigen Dutzend Lichtjahren Durchmesser und ist damit eines der massereichsten und dichtesten Kugelsternhaufen-ähnlichen Systeme in der Milchstraße. – Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, G. Zullo (University of Bologna), F. R. Ferraro (University of Bologna). Image Processing: A. Pagan (STScI)

Forscher, die zwei der leistungsstärksten Observatorien der Menschheit – das James-Webb- und das Hubble-Weltraumteleskop – nutzten, haben eindeutig nachgewiesen, dass Terzan 5 kein Kugelsternhaufen ist, wie er einst klassifiziert wurde. Dies eröffnet neue Einblicke in die Entstehung und Entwicklung von Galaxien wie unserer eigenen. Ein Kugelsternhaufen besteht typischerweise nur aus einer einzigen Population alter Sterne. Die neuen Daten bestätigen nicht nur die Existenz zweier unterschiedlicher Sternpopulationen in Terzan 5, sondern liefern auch Hinweise auf zwei weitere, jüngere Phasen der Sternentstehung. Obwohl Terzan 5 im dichten Bulge der Milchstraße liegt, der zentralen, kugelförmigen Region unserer Galaxie mit älteren Sternen, war er massereich genug, um seine Eigenständigkeit zu bewahren, während sich leichtere Systeme vor Milliarden von Jahren ausbreiteten und vermischten, um den Bulge zu bilden. Es ist wie ein Klumpen in einem ansonsten gut vermischten Kuchenteig.

„Die neuen Nahinfrarot-Beobachtungen des Webb-Teleskops, abgeglichen mit den Archivbeobachtungen des Hubble-Teleskops, haben uns ein viel klareres Bild von der Geschichte von Terzan 5 vermittelt“, sagte Giorgia Zullo, die die Forschung leitete und Doktorandin an der Universität Bologna in Italien ist.

Diese Ergebnisse wurden am Dienstag auf einer Pressekonferenz im Rahmen der 248. Tagung der American Astronomical Society vorgestellt und in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Vier Generationen von Sternen

Der 1968 vom Astronomen Azop Terzan entdeckte Sternhaufen Terzan 5 ähnelt in vielerlei Hinsicht einem Kugelsternhaufen. 2009 wurde jedoch festgestellt, dass er zwei unterschiedliche Sternpopulationen beherbergt. 2016 lieferte das Hubble-Weltraumteleskop die erste Schätzung ihres Alters: Die eine Population entstand vor etwa 12 Milliarden Jahren (zur Entstehungszeit der Milchstraße), die andere vor etwa 5 Milliarden Jahren, kurz bevor die Erde zu entstehen begann. Dies deutet auf eine komplexere Entstehungsgeschichte als bei einem typischen Kugelsternhaufen hin.

Die Erforschung von Terzan 5 wird durch seine Lage in einer sternreichen und stark von Staub verdeckten Region unserer Galaxie erschwert. Hier kam das Webb-Teleskop ins Spiel. Seine Infrarotaufnahmen ermöglichten es dem Forschungsteam, durch den Staub hindurchzusehen und deutlich mehr und lichtschwächere Sterne zu katalogisieren als bei früheren Untersuchungen. Durch die Messung der Farben und Helligkeiten der Sterne können Astronomen diese in Gruppen unterschiedlichen Alters und unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung einteilen.

Webb konnte diese Schlüsseleigenschaften für jeden Stern im Sichtfeld messen – sowohl für Sterne innerhalb von Terzan 5 als auch für Sterne im Vordergrund, die nicht dazu gehören. Um die Sterne von Terzan 5 zu isolieren, nutzte das Team die Leistungsfähigkeit und die lange Betriebsdauer des Hubble-Teleskops. Der zwölfjährige Abstand zwischen den Hubble-Aufnahmen ermöglichte es dem Team, sehr kleine Bewegungen einzelner Sterne, sogenannte Eigenbewegungen, zu messen und so zu bestimmen, welche Sterne zu Terzan 5 gehören und welche Teil des Bulges der Milchstraße sind.

Durch die Kombination von Daten des Webb- und des Hubble-Teleskops fanden die Forscher eindeutige Hinweise auf zwei weitere Sternpopulationen: eine, die sich vor 3,8 Milliarden Jahren bildete, und eine weitere, die erst vor 2,5 Milliarden Jahren entstand. Außerdem konnten sie das Alter der bereits bekannten Sternpopulationen mit beispielloser Genauigkeit bestimmen und stellten fest, dass diese sich vor 12,5 Milliarden bzw. 4,7 Milliarden Jahren gebildet hatten.

Bei den bisher bekannten zwei Sterngenerationen konnten Astronomen die Möglichkeit nicht ausschließen, dass Terzan 5 mit einem anderen Objekt, wie einem Kugelsternhaufen oder einer riesigen Molekülwolke, interagierte und dadurch mit neuem Gas und Staub angereichert wurde, was eine zweite Sternentstehungsphase auslöste. Mit vier Sterngenerationen sind diese Erklärungen nun ausgeschlossen.

Messungen der Sternzusammensetzung von Terzan 5, die am W.M. Keck Observatory und am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte durchgeführt wurden, deuten ebenfalls auf sehr unterschiedliche Populationen hin. „Neben dem Alter dieser Populationen bewahrt der Sternhaufen eine Art Fossilienbestand der fortschreitenden Anreicherung mit schweren Elementen durch Supernovae“, sagte Koautor R. Michael Rich, Forschungsastronom an der University of California, Los Angeles.

Terzan 5 bildete mehrere Sterngenerationen, da er in der Lage war, die notwendigen Ausgangsstoffe zu behalten. Es gibt Hinweise auf gewaltige Supernova-Explosionen in Terzan 5, bei denen schwerere Elemente erzeugt wurden, die von nachfolgenden Sterngenerationen aufgenommen wurden. In Systemen mit geringerer Masse hätte die Wucht der Explosionen selbst die entstandenen Elemente ausstoßen und gleichzeitig übrig gebliebenes Gas und Staub wegfegen können. Der Vorläufer von Terzan 5 verfügte über genügend Masse, um die Auswürfe dieser Sterne zurückzuhalten, sodass sich über Milliarden von Jahren hinweg neue Sterngenerationen bilden konnten.

„Fossiles Fragment des Galaxienkerns“

Die Ergebnisse zeigen, dass Terzan 5 höchstwahrscheinlich der Überrest eines weitaus massereicheren Sternsystems ist, das sich ursprünglich vor 12,5 Milliarden Jahren gebildet hatte. Terzan 5 ist außergewöhnlich, weil er überlebt hat und sich nie mit dem Bulge der Milchstraße vereinigt oder vollständig darin „vermischt“ hat. „Aus irgendeinem Grund bildete sich dieser eigentümliche Sternhaufen getrennt vom Bulge und wurde bei der Entstehung des Bulge selbst nicht zerstört“, sagte Francesco R. Ferraro, Professor an der Universität Bologna und Leiter der Webb-Beobachtungen. „Terzan 5 ist das, was wir heute als ‚bulge fossil fragment‘ bezeichnen, da es den ursprünglichen Sternhaufen ähnelt, die zur Entstehung des Bulges beigetragen haben.“

Bislang ist nur ein weiteres kosmisches Objekt bekannt, das Terzan 5 ähnelt: Liller 1. Dieser zweite Kugelsternhaufen wurde von einem Kugelsternhaufen zu einem Fossilfragment des Bulges umklassifiziert. Auch er enthält mehrere Sterngenerationen. Möglicherweise existieren weitere Objekte dieser Art. Ferraros Team wird weitere 40 bis 50 Kugelsternhaufen untersuchen, die innerhalb des Galaxienkerns umlaufen, um festzustellen, ob ihre Sternpopulationen alle gleich sind, wie bei Kugelsternhaufen, oder ob sie mehrere Generationen umfassen, wie bei Fossilfragmenten des Galaxienkerns.

Mögliche Parallelen für die Galaxienentstehung in nah und fern

Letztendlich könnte diese Forschung unser Wissen darüber erweitern, wie die zentralen Bulges von Galaxien über Hunderte von Millionen Jahren entstehen. „Aufgrund von Beobachtungen und detaillierten Simulationen gehen wir davon aus, dass Galaxien im frühen Universum riesige Gasscheiben besaßen, die in Klumpen zerfielen und Sterne bildeten. Diese Klumpen wanderten zum Zentrum der Galaxien und viele verschmolzen zu deren Bulges“, sagte Barbara Lanzoni, Mitautorin und außerordentliche Professorin an der Universität Bologna. So hat Webb beispielsweise mehrere Beispiele für „klumpige“ Galaxien entdeckt, die sich aktiv bildeten, als das Universum erst wenige hundert Millionen Jahre alt war, wie die Klumpen in der Firefly-Sparkle-Galaxie. „Terzan 5 könnte direkte Beweise liefern, die helfen können zu erklären, wie sich Galaxienkerne im gesamten Universum gebildet haben“, sagte Lanzoni.

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 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).

Das Hubble-Weltraumteleskop ist seit über drei Jahrzehnten im Einsatz und liefert weiterhin bahnbrechende Entdeckungen, die unser grundlegendes Verständnis des Universums prägen. Hubble ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA (Europäische Weltraumorganisation).

Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, G. Zullo (Universität Bologna), F. R. Ferraro (Universität Bologna). Bildbearbeitung: A. Pagan (STScI)