Hubble entdeckt Beweise für eine frühe Galaxienverschmelzung

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Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, wuchs unter anderem durch die Verschmelzung mit kleineren Galaxien zu ihrer heutigen Größe heran. Nun liefern neue Daten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA eindeutige Beweise dafür, dass in den frühesten Phasen ihrer Entwicklung eine Zwerggalaxie mit der jungen Milchstraße verschmolz. Diese Entdeckung erweitert unser Wissen über die Geschichte unserer Galaxie um 1,8 Milliarden Jahre weiter in die Vergangenheit als bisher.

Die Milchstraße ist heute eine riesige Spiralgalaxie mit Hunderten von Milliarden Sternen. Doch unsere Galaxie war nicht immer so groß. Sie ist gewachsen, indem sie neue Sterne aus ihren Gaswolken bildete und durch Verschmelzungen Sterne, Gas und Dunkle Materie aus anderen Galaxien aufnahm.

LKH Milchstraße Merger — Vor etwa 12 Milliarden Jahren kollidierte eine als LKH bekannte Zwerggalaxie (links) mit der jungen Milchstraße (rechts) und verschmolz mit ihr. Diese künstlerische Darstellung zeigt diese Kollision. – Credit: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

Die jüngste gewaltige Verschmelzung in der Geschichte unserer Galaxie fand vor über sechs Milliarden Jahren mit der Zwerggalaxie Sagittarius statt und dauert bis heute an. Noch weiter zurück in der Vergangenheit entdeckten Forscher, dass die Milchstraße vor zehn Milliarden Jahren eine weitere Zwerggalaxie namens Gaia-Sausage-Enceladus verschlang. Diese uralte Verschmelzung beeinflusste die Struktur der Sternenscheibe unserer Galaxie maßgeblich. Zwischen diesen beiden Galaxien ereigneten sich weitere, kleinere Verschmelzungen.

Doch die Geschichte unserer Galaxie endet hier nicht. Beobachtungen und Simulationen deuten darauf hin, dass diesen beiden Verschmelzungen eine weitere große Verschmelzung vorausging, deren genaue Details jedoch heftig diskutiert wurden. Nun hat das Hubble-Teleskop eindeutige Beweise für eine frühere Verschmelzung gefunden, die vor etwa 11,8 Milliarden Jahren stattfand, also nur 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

„Unsere Heimat ist die Milchstraße, aber wir wissen nicht, wie unser Haus gebaut wurde“, sagte Davide Massari, Hauptautor der Studie vom Observatorium für Astrophysik und Weltraumwissenschaften in Bologna, Italien. „In dieser Arbeit entdecken wir, woher die erste bedeutende Ladung Bausteine stammte: aus einer Zwerggalaxie, die wir LKH nennen.“

Kosmische Ausgrabungsstätten

Umfangreiche astronomische Durchmusterungen und präzise Daten von Raumsonden wie der Gaia-Mission der ESA waren entscheidend für die Rekonstruktion der Geschichte unserer Galaxie. Je weiter Wissenschaftler in die Vergangenheit zurückblicken, desto schwieriger wird es, die Geschehnisse zu rekonstruieren. In ihrer Frühzeit war unsere Galaxie kleiner und ähnelte in ihrer Größe den Galaxien, mit denen sie kollidierte, deutlich. Sie war zudem chaotischer, und es ist möglich, dass die Spuren der Verschmelzungen im Laufe von Milliarden von Jahren ausgelöscht wurden.

In diese undurchsichtige Vergangenheit blickte das Hubble-Teleskop. Forscher nutzten das Hubble-Teleskop, um einige der Kugelsternhaufen der Milchstraße zu untersuchen: riesige, annähernd kugelförmige Ansammlungen von Zehntausenden bis zu einigen Millionen Sternen. Kugelsternhaufen enthalten einige der ältesten Sterne unserer Galaxie und können als kosmische Ausgrabungsstätten fungieren, die Sterne aus anderen Galaxien bewahren, die die Milchstraße aufgenommen hat.

„Dank der hohen Auflösung und Tiefenschärfe der Hubble-Aufnahmen konnten wir das Alter und den Metallgehalt dieser Kugelsternhaufen mit beispielloser Präzision messen“, sagte Chiara Zerbinati, Koautorin der Studie von der Universität Bologna in Italien. „In Verbindung mit Messungen von Gaia war es dadurch möglich, eine Population von Kugelsternhaufen zu unterscheiden, die sich von den anderen unterscheidet. Dies sind die Haufen, die in LKH entstanden sind, und sie verraten uns, wann diese Galaxie von unserer verschlungen wurde und wie massereich sie war.“

Das Team analysierte Hubble-Beobachtungen von 39 Kugelsternhaufen in den inneren 20.000 Lichtjahren unserer Galaxie, wo Spuren der ältesten Verschmelzungen erhalten sein dürften. Es ging davon aus, dass diese Stichprobe sowohl Kugelsternhaufen enthalten würde, die sich innerhalb der jungen Milchstraße gebildet hatten, als auch solche, die vor etwa 10 Milliarden Jahren aus der Zwerggalaxie „Gaia-Sausage-Enceladus“ aufgenommen wurden.

Mithilfe der empfindlichen Hubble-Beobachtungen, mit denen das genaue Alter und die damit verbundene Metallizität – also die Häufigkeit von Elementen, die schwerer sind als Helium – jedes Haufens bestimmt wurden, stellten sie fest, dass es in den inneren Regionen unserer Galaxie eine dritte Population von Kugelsternhaufen gibt. Das Team fand heraus, dass diese Haufen älter sind als die bei der Gaia-Sausage-Enceladus-Verschmelzung eingefangene Gruppe, aber jünger als diejenigen, die in der Milchstraße entstanden sind – unabhängig von ihrem Metallgehalt. Diese Sternhaufen stammen daher aus einer separaten und noch früheren Verschmelzung – bei der die Milchstraße eine Zwerggalaxie verschlang, deren Sternmasse etwa das 500-Millionenfache der Sonnenmasse betrug, was damals einen erheblichen Anteil der Masse unserer Galaxie ausmachte. Sie nannten diese Zwerggalaxie „Low-energy-Kraken-Heracles“ (LKH) zu Ehren von drei früheren Forschungsarbeiten, die die Idee einer Verschmelzung in der Frühgeschichte unserer Galaxie vertreten hatten.

Eine so gewaltige Verschmelzung so früh in der Entstehungsphase der Milchstraße hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Entwicklung unserer Galaxie.

„Einige frühere Studien argumentierten, dass die frühesten Phasen der Entwicklung unserer Galaxie ausschließlich durch Sterne definiert wurden, die in unserer Galaxie entstanden sind“, sagt Massari. „Wir haben hier gezeigt, dass auch Sterne, die in anderen Galaxien entstanden sind, berücksichtigt werden müssen.“

Das Team plant, seine Arbeit zur Entschlüsselung der Geschichte der Milchstraße fortzusetzen, indem es ihre Kugelsternhaufen untersucht, mit dem Ziel, alle massereichen Verschmelzungen zu charakterisieren, die unsere Galaxie im Laufe der kosmischen Geschichte durchlaufen hat.

„Hubble beobachtet Kugelsternhaufen, die noch nie zuvor untersucht wurden, und dies wird uns helfen, die Verschmelzungsereignisse zu charakterisieren, die weit in der Vergangenheit in der Geschichte der Milchstraße stattfanden“, sagte Fernando Aguado-Agelet, Mitautor, von der Universität Vigo und der Universität La Laguna in Spanien.

Die Ergebnisse wurden heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.