Die Europäische Weltraumorganisation hat die Gaia-Mission im Jahr 2013. Das übergeordnete Ziel der Mission war es, die Geschichte der Milchstraße zu entdecken, indem die Positionen und Geschwindigkeiten von einer Milliarde Sterne kartiert wurden. Das Ergebnis ist eine Art Film, der die Vergangenheit und die Zukunft unserer Galaxie zeigt.
Die Mission hat zwei separate, umfangreiche Datensätze veröffentlicht, die Forscher durcharbeiten können dritte Datenfreigabe bald erwartet. All diese Daten haben einen Strom von Studien in unsere Heimatgalaxie hervorgebracht.
Kürzlich machte die ESA auf fünf neue Erkenntnisse über die Milchstraße aufmerksam. Alle diese Entdeckungen stammen direkt von der Raumsonde Gaia.
Gaias Aufgabe war es, den größten und genauesten Katalog von Sternen in der Milchstraße zu erstellen. Es sammelt Daten über eine Milliarde Objekte, hauptsächlich Sterne, aber auch einige Quasare, Kometen und andere Objekte. Gaia hat jedes seiner Zielobjekte 70 Mal einzeln überwacht, was die Genauigkeit der Daten erklärt. Die Mission war ursprünglich für fünf Jahre geplant, wurde jedoch verlängert, da sie über genügend Treibstoff für einen Betrieb bis etwa November 2024 verfügt.
In einem neuen Pressemitteilung fasste die ESA fünf wichtige Ergebnisse ihrer Gaia-Mission zusammen.
Kannibalistische Spirale
Astronomen dachten lange Zeit, dass die Milchstraße durch den Verzehr anderer kleinerer Galaxien gewachsen ist, die von ihrer Anziehungskraft erfasst werden. Aber Gaias Daten gaben Astronomen einen beispiellosen Einblick, wie dies in der Vergangenheit passiert ist und wie es jetzt noch geschieht.
Ein Forscherteam, das mit Gaia-Daten arbeitete, fand eine Familie von 30.000 Sternen, die sich durch die Milchstraße bewegt. Diese Sterne sind überall um uns herum, vermischt mit anderen Sternen, und sie bewegen sich alle mit der gleichen Geschwindigkeit und Richtung. Aber ihre Bewegung ist vom Rest der Milchstraße getrennt. Sie bewegen sich laut einer Pressemitteilung in 'länglichen Bahnen in die entgegengesetzte Richtung zu den meisten anderen hundert Milliarden Sternen der Galaxis, einschließlich der Sonne'.
Sie heben sich auch von anderen Stars auf der Hertzsprung-Russell-Diagramm . Das Team dahinter dass forschen kam zu dem Schluss, dass dies eine separate Population von Sternen war. Diese Gruppe war vor einiger Zeit das Ergebnis einer galaktischen Fusion. „Die Sammlung von Sternen, die wir mit Gaia gefunden haben, hat alle Eigenschaften, die man von den Trümmern einer galaktischen Verschmelzung erwarten würde“, sagte Amina Helmi, Hauptautorin des in veröffentlichten PapiersNatur.
Diese Grafik zeigt die Verteilung der Gaia-Enceladus-Sterne über die Milchstraße. Die Sterne von Gaia-Enceladus werden in Abhängigkeit von ihrer Parallaxe – einem Maß für ihre Entfernung – mit unterschiedlichen Farben dargestellt, wobei violette Farbtöne die am nächsten gelegenen Sterne und gelbe Farbtöne die am weitesten entfernten anzeigen. Weiße Kreise zeigen Kugelsternhaufen an, bei denen beobachtet wurde, dass sie ähnlichen Bahnen wie die Sterne von Gaia-Enceladus folgen, was darauf hindeutet, dass sie ursprünglich Teil dieses Systems waren; Cyan-Sternsymbole weisen auf veränderliche Sterne hin, die auch als Gaia-Enceladus-Trümmer assoziiert werden. Bildquelle: ESA/Gaia/DPAC; A. Helmi et al. 2018
Gaia-Daten ermöglichten es den Forschern nicht nur, diese Überreste der Fusion zu finden, sondern auch, was passiert ist. Vor etwa 10 Milliarden Jahren kollidierte die Milchstraße mit einer Galaxie von der Größe einer der Magellanschen Wolken. Die verlorene Galaxie namens Gaia-Enceladus wurde von der Milchstraße verzehrt. Die Milchstraße war damals viel kleiner, nur etwa viermal größer als Gaia-Enceladus, also muss die Kollision enorme Umwälzungen verursacht haben.
Wir wissen jetzt, dass es andere Kollisionen gegeben hat, und wir wissen auch, dass die Milchstraße dabei ist, die Magellanschen Wolken zu verbrauchen, beginnend mit ihrem Gashalo.
Eine galaktische Kollision hat die Sonne geformt?
Kollisionen und Verschmelzungen spielen eine große Rolle in der Milchstraße und möglicherweise sogar in unserer Existenz.
Einer der Nachbarn der Milchstraße ist die Schütze-Zwerggalaxie (SDG). Es umkreist seit Milliarden von Jahren die viel massereichere Milchstraße. Während die Milchstraße einige hundert Milliarden Sterne hat, hat ihr kleiner Nachbar nur ein paar Dutzend Millionen davon. Die Milchstraße ist also etwa 10.000 Mal massereicher.
Aber obwohl die SGD im Vergleich zur Milchstraße winzig ist, hatte sie einen großen Einfluss darauf, insbesondere auf unsere kleine Ecke.
„Die Galaxie war relativ ruhig. Plötzlich fiel Schütze ein und störte das Gleichgewicht …“
Tomás Ruiz-Lara, Instituto de Astrofísica de Canarias | IAC
Jedes Mal, wenn die SGD die Milchstraße umkreist, prallt sie darauf. Natürlich gibt es kein richtiges Slamming. Zwischen all den Sternen ist zu viel Platz für eine wirkliche physische Begegnung. Der Slam ist eher ein Gravitations-Slam; eine Interaktion.
Astronomen gehen davon aus, dass die SGD die Milchstraße bereits mindestens dreimal getroffen hat: vor fünf oder sechs Milliarden Jahren, vor zwei Milliarden Jahren und vor einer Milliarde Jahren. Jedes Mal, wenn dies der Fall ist, stiehlt die Milchstraße einige ihrer Sterne und das SDG wird nach jeder Begegnung weniger massiv. Aber die Begegnung löst auch die Sternentstehung in der Milchstraße aus.
Die SGD ist mindestens dreimal mit der Milchstraße kollidiert, was eine beschleunigte Sternentstehung ausgelöst hat. Eine dieser Begegnungen könnte zur Geburt der Sonne geführt haben. Bildquelle: ESA
Ein Papier veröffentlicht im Jahr 2020 , und basierend auf Gaia-Daten, zeigten, dass diese Begegnungen zu Episoden verstärkter Sternentstehung in der Milchstraße führten. Dieses Papier nannte das SDG den „wichtigsten dynamischen Architekten der Milchstraßenscheibe“. Jedes Mal, wenn das SDG die Milchstraße durchquerte, erzeugte es Wellen und Kompressionen im Gas, die zu einer beschleunigten Sternentstehung führten.
„Nach einer anfänglichen gewaltsamen Epoche der Sternentstehung, die teilweise durch eine frühere Verschmelzung ausgelöst wurde, hatte die Milchstraße einen ausgeglichenen Zustand erreicht, in dem sich stetig Sterne bildeten“, sagt Tomás Ruiz-Lara, Erstautor der Studie von 2020. „Die Galaxie war relativ ruhig. Plötzlich stürzte Schütze ein und störte das Gleichgewicht, was dazu führte, dass all das zuvor stille Gas und der Staub in der größeren Galaxie wie Wellen im Wasser herumschwappten.“
Eine dieser Begegnungen fand vor etwa 4,7 Milliarden Jahren statt, zur gleichen Zeit, als die Sonne und das Sonnensystem entstanden. Während Wissenschaftler nicht sagen, dass die Sonne definitiv durch eine Kollision mit dem SDG entstanden ist, ist die Idee vorhanden. Es ist möglich, dass unsere Existenz aus einer dieser Begegnungen stammt. Zukünftige Studien werden dies wahrscheinlich bestätigen oder ausschließen.
Lebende Waffen, Lebende Scheibe
Vor Gaia wussten Astronomen viel über die Milchstraße. Das Problem ist, dass es schwierig ist, sie von innen zu beobachten, und daher basiert einiges, was wir über die Milchstraße wissen, auf der Beobachtung anderer Galaxien wie dieser.
Wenn wir zum Beispiel andere Galaxien betrachten, können die Spiralarme blauer erscheinen als andere Teile der Galaxie. Dieses Blau zeigt an, dass Sterne bei höheren Temperaturen brennen. Heiße Sterne sind massereich und massereiche Sterne sind jung. Daraus schlossen die Forscher, dass die Spiralarme Bereiche intensiver Sternentstehung sind. Aber Astronomen waren sich nicht sicher, ob die Milchstraße zwei oder vier Arme hatte.
Gaia ermöglichte es Astronomen, einzelne Sterne in den Armen direkt zu untersuchen.
„Vor Gaia wussten wir nicht, ob es in der Milchstraße zwei oder vier Spiralarme gibt“, sagt Sergey Khoperskov, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Deutschland. „Jetzt haben wir klare Beweise dafür, dass es vier davon gibt. Mit Gaia können wir die Entfernung zu den Sternen messen und sehen, wo sie dichter zusammengedrängt sind, was auf einen Spiralarm hindeutet.“
Die Anatomie der Milchstraße. Bildquelle: ESA
Eine weitere Frage rund um die Spiralarme betrifft ihre Langlebigkeit. Einige Forscher sagen, dass die Arme tatsächlich Manifestationen einer wandernden Dichtewelle sind und dass sie kurzlebige Phänomene sind – in astronomischer Hinsicht. Die Arme können verschwinden und sich später wieder bilden. „Viele Astronomen glauben, dass Spiralarme kurzlebige Strukturen sind, die durch eine Art Gravitationsinstabilität verursacht werden und dass sie innerhalb weniger Umdrehungen verschwinden und dann mit einem anderen Muster wieder auftauchen“, sagte Sergey Khoperskov, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.
Jos de Bruijne ist stellvertretender Projektwissenschaftler bei der Gaia-Mission. Er sagt, dass die Arme in ihrer milliardenjährigen Geschichte nicht dieselben Sterne enthalten. Stattdessen, sagt er, seien die Spiralarme eine Art Stau.
„Vorne ziehen die Sterne raus, aber der Stau bleibt, weil sich die Sterne hinten türmen“, sagt er. „Wir wissen immer noch nicht genau, warum sich diese Staus bilden, und ich bin überzeugt, dass Gaia Licht ins Dunkel bringen wird.“
Gaia zeigte uns auch, dass die gesamte galaktische Scheibe ein geschäftiger, aktiver Ort ist. Auf die Teile der Milchstraße wirken verschiedene Kräfte, die alle Arten von Bewegungen erzeugen. Seine Satellitengalaxien interagieren ständig mit ihm, erzeugen Bewegung, Spannung und formen die Galaxie.
Einige Astronomen glauben sogar, dass Kollisionen mit dem SDG der Milchstraße ihre Spiralform verliehen haben.
Die Milchstraße ist wie ein Magnet, der Sterne von anderen Galaxien stiehlt
Ein Tyrann und ein Dieb. Das ist die Milchstraße. Aber die Feinheiten und Regeln des menschlichen Verhaltens gehen in der Weite des Universums verloren.
Die Milchstraße ist kein netter Nachbar. Es nimmt ständig Sterne aus anderen Sternhaufen und kleineren Galaxien auf. Gaia hat uns dies sehr detailliert gezeigt und Sternenströme gefunden, die aus anderen Galaxien zerrissen wurden und sich durch den Weltraum erstrecken. Einige dieser Ströme erstrecken sich über Tausende von Lichtjahren. Gaia-Beobachtungen dieser Ströme können Astronomen viel über die Gravitationskraft und Masse der Milchstraße sagen.
Gais hat auch Sterne gefunden, die mit sehr hoher Geschwindigkeit durch die Milchstraße wandern.
Gaia hat Sterne gefunden, die mit hoher Geschwindigkeit durch die Milchstraße sprinten. Einige von ihnen könnten genug Geschwindigkeit haben, um schließlich der Galaxie zu entkommen. Bildquelle: ESA
Einige dieser sich schnell bewegenden Sterne haben genug Geschwindigkeit, um der Milchstraße zu entkommen. Wenn sie dies tun, werden sie nicht mit ihrem früheren Zuhause vereint. Stattdessen werden sie wahrscheinlich eine Ewigkeit damit verbringen, durch den intergalaktischen Raum zu reisen. Sie sind ein kleines Rätsel für Astronomen.
„Von den sieben Millionen Gaia-Sternen mit vollständigen 3D-Geschwindigkeitsmessungen haben wir zwanzig gefunden, die schnell genug reisen könnten, um schließlich der Milchstraße zu entkommen“, erklärt Elena Maria Rossi von der Universität Leiden in den Niederlanden, eine der Autoren von eine aktuelle studie . 'Aber anstatt vom galaktischen Zentrum wegzufliegen, scheinen die meisten Hochgeschwindigkeitssterne, die wir entdeckt haben, darauf zuzurasten.'
Es gibt eine Sache im Zentrum der Milchstraße, die so massiv ist, dass sie diese Sterne anziehen könnte: das supermassereiche Schwarze Loch Schütze A-Stern (SgrA*). Umgekehrt könnte ein supermassereiches Schwarzes Loch in einer anderen Galaxie diese Sterne nach außen geschleudert haben.
„Sterne können auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wenn sie mit einem supermassereichen Schwarzen Loch interagieren“, erklärt Elena. „Das Vorhandensein dieser Sterne könnte ein Zeichen für solche Schwarzen Löcher in nahegelegenen Galaxien sein.“
Eine andere Möglichkeit ist, dass diese Sterne in binären Paaren waren. Wenn ihr Partner als Supernova explodierte, hätte das sie mit hoher Geschwindigkeit nach außen treiben können.
Oder, Astronomen geben zu, dass diese sprintenden Sterne eine prosaischere Erklärung haben könnten. Sie könnten aus dem eigenen Halo der Milchstraße stammen. Wechselwirkungen zwischen der Milchstraße und ihren Satelliten hätten diese Sterne aus stabileren Gravitationsbeziehungen reißen und sie durch den Weltraum schicken können.
Bessere Daten zu diesen Sternen könnten ihr Alter und ihre Zusammensetzung einschränken und wichtige Hinweise auf ihre Herkunft liefern. „Ein Stern aus dem Halo der Milchstraße ist wahrscheinlich ziemlich alt und besteht hauptsächlich aus Wasserstoff, während Sterne aus anderen Galaxien viele schwerere Elemente enthalten könnten“, sagt der Co-Autor der Studie, Tommaso Marchetti. „Der Blick auf die Farben der Sterne sagt uns mehr darüber, woraus sie bestehen.“
Unsere Sonne ist ein Solar Surfer
In der Nachbarschaft unseres Sonnensystems gibt es Wolken aus interstellarem Gas. EIN Studie 2019 zeigten, dass sie eine wellenförmige Welle von 9000 Lichtjahren Länge bilden. Seine Wellen führen bis zu 500 Lichtjahre über und unter die Scheibe der Milchstraße. Die Welle ist etwa 400 Lichtjahre breit und wird von Astronomen als Local Arm bezeichnet. Sie sagen, es sei ein kleiner Spiralarm der Milchstraße.
Astronomen haben Gaswolken gerne im Auge, denn dort entstehen neue Sterne. Vor der Studie von 2019 dachten Astronomen, dass sich Gaswolken in der Nachbarschaft der Sonne in einem Merkmal namens konzentrieren Gouldgürtel . Der Gouldgürtel ist eine ringförmige Struktur aus Sternen, Staub und Gas mit einer Länge von etwa 3000 Lichtjahren, die sich über der galaktischen Ebene erhebt und unter sie fällt.
Aber Gaia zeigte, dass der Gouldgürtel nicht die vorherrschende Gasstruktur ist. Es zeigte den Wissenschaftlern, dass die massive, neu entdeckte Wellenstruktur dominant ist.
„Stattdessen haben wir die größte uns bekannte kohärente Gasstruktur in der Galaxie beobachtet, die nicht in einem Ring, sondern in einem massiven, wellenförmigen, schmalen und geraden Filament organisiert ist“, sagt João Alves, Professor für stellare Astrophysik an der Universität aus Wien, Radcliffe-Stipendiat von 2018-2019 und einer der drei Wissenschaftler, die die Struktur entdeckt haben. Die Struktur wird heute nach dem Radcliffe Institute Radcliffe Wave genannt.
Unsere Sonne ist nur 500 Lichtjahre vom Radcliffe-Welle an seiner engsten Stelle. Es sieht fast so aus, als würde es auf der Welle surfen. Tatsächlich war es gerade einmal 13 Millionen Jahre her – ungefähr zu der Zeit, als die Affen auf die Erde kamen –, als die Sonne das letzte Mal die Welle überquerte, und sie wird wahrscheinlich in Zukunft wieder darüber surfen.
Die Entdeckung dieser Welle demonstriert Gaias Macht. Die Welle war schon immer da, aber bis wir damit beschäftigt waren, Sterne zu kartieren, gab es keine Möglichkeit, sie zu sehen. „Die Welle war die ganze Zeit direkt vor unseren Augen, aber wir konnten sie bis jetzt nicht sehen“, fügt João hinzu.
„Wir wissen nicht, was diese Form verursacht, aber es könnte wie eine Welle in einem Teich sein, als ob etwas außergewöhnlich Massives in unserer Galaxie gelandet wäre“, sagte Alves in a Pressemitteilung . „Was wir wissen ist, dass unsere Sonne mit dieser Struktur interagiert. Es passierte ein Fest von Supernovae, als es vor 13 Millionen Jahren den Orion überquerte, und in weiteren 13 Millionen Jahren wird es die Struktur wieder durchqueren, so als würden wir ‚auf der Welle surfen‘.“
Die Forscher wissen nicht, was diese Wellenstruktur verursacht hat. Die unerwartete wellenförmige Struktur verrät ihre Geheimnisse noch nicht. Es ist möglich, dass sie, wie viele Merkmale der Milchstraße, durch Interaktionen mit einer anderen kleinen Galaxie entstanden ist. Einige Forscher vermuten, dass dunkle Materie beteiligt sein könnte. Manche sagen die Radcliffe Wave die Sonne hervorgebracht . Es bedarf weiterer Studien, um eine Erklärung zu finden.
Was auch immer die Ursache war, die Entdeckung der Radcliffe Wave war für einige Astronomen ein Schock.
„Wir waren völlig schockiert, als wir zum ersten Mal bemerkten, wie lang und gerade die Radcliffe Wave ist, wenn wir von oben in 3D darauf blicken, aber auch wie sinusförmig es ist von der Erde aus gesehen“, sagte Alyssa Goodman, Professorin für Angewandte Astronomie und Co-Direktorin des Wissenschaftsprogramms am Radcliffe Institute of Advanced Study. „Die Existenz der Welle zwingt uns, unser Verständnis der 3D-Struktur der Milchstraße zu überdenken.“
Zwingt uns, die Dinge zu überdenken. Das ist die Rolle der Wissenschaft im Laufe der Geschichte. Und es ist etwas, das Missionen wie Gaia ständig tun.
Die dritte Veröffentlichung von Gaia-Daten kommt bald. Ein früher Teil wird bis Ende dieses Jahres veröffentlicht, die vollständige dritte Datenfreigabe im ersten Halbjahr 2021.
Was werden uns all diese Daten zum Umdenken zwingen?
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