Eine rätselhafte Wolke in der Nähe des Galaxienzentrums könnte Hinweise darauf enthalten, wie Sterne geboren werden.
In der Nähe des überfüllten galaktischen Zentrums, in dem sich aus Gas- und Staubwolken ein supermassereiches Schwarzes Loch zusammensetzt, das drei Millionen Mal so massereich ist wie die Sonne. Eine bestimmte Wolke hat Astronomen verblüfft. In der Tat widerspricht die Wolke, genannt G0.253 + 0.016, den Regeln der Sternentstehung.
Dieses Bild wurde mit dem Spitzer-Infrarot-Weltraumteleskop der NASA aufgenommen und zeigt die mysteriöse galaktische Wolke, die links als schwarzes Objekt zu sehen ist. Das galaktische Zentrum ist der helle Punkt rechts. Bildnachweis: NASA / Spitzer / Benjamin et al., Churchwell et al.
In Infrarotbildern des galaktischen Zentrums erscheint die Wolke, die 30 Lichtjahre lang ist, als bohnenförmige Silhouette vor einem hellen Hintergrund aus Staub und Gas, die im Infrarotlicht leuchten. Die Dunkelheit der Wolke bedeutet, dass sie dicht genug ist, um das Licht abzuhalten.
Nach herkömmlicher Weisheit sollten sich so dichte Gaswolken zusammenballen, um Taschen mit noch dichterem Material zu bilden, die aufgrund ihrer eigenen Schwerkraft zusammenfallen und schließlich Sterne bilden. Eine solche gasförmige Region, die für ihre erstaunliche Sternentstehung berühmt ist, ist der Orionnebel. Und doch, obwohl die Wolke im galaktischen Zentrum 25-mal dichter als der Orion ist, werden dort nur wenige Sterne geboren - und selbst dann sind sie klein. Tatsächlich sagen die Caltech-Astronomen, dass ihre Sternentstehungsrate 45-mal niedriger ist als das, was Astronomen von einer derart dichten Wolke erwarten.
"Es ist eine sehr dichte Wolke und es bildet keine massereichen Sterne - was sehr seltsam ist", sagt Jens Kauffmann, ein leitender Postdoktorand bei Caltech.
In einer Reihe neuer Beobachtungen entdeckte Kauffmann zusammen mit dem Caltech-Postdoktoranden Thushara Pillai und Qizhou Zhang vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, warum: Es fehlen nicht nur die notwendigen Klumpen dichteren Gases, sondern die Wolke selbst wirbelt so schnell, dass es sich nicht beruhigen kann und in Sterne zerfällt.
Die Ergebnisse, die zeigen, dass die Sternentstehung komplexer sein kann als bisher angenommen, und dass das Vorhandensein von dichtem Gas nicht automatisch einen Bereich impliziert, in dem eine solche Bildung auftritt, können Astronomen dabei helfen, den Prozess besser zu verstehen.
Das Team präsentierte seine Ergebnisse - die kürzlich in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurden - auf der 221. Sitzung der American Astronomical Society in Long Beach, Kalifornien.
Um festzustellen, ob die Wolke Klumpen von dichterem Gas enthielt, die als dichte Kerne bezeichnet wurden, verwendete das Team das Submillimeter Array (SMA), eine Sammlung von acht Radioteleskopen auf Mauna Kea in Hawaii. In einem möglichen Szenario enthält die Wolke diese dichten Kerne, die ungefähr zehnmal dichter sind als der Rest der Wolke, aber starke Magnetfelder oder Turbulenzen in der Wolke stören sie und verhindern so, dass sie sich in vollwertige Sterne verwandeln.
Durch Beobachtung des in das Wolkengas eingemischten Staubes und Messung von N2H + - einem Ion, das nur in Regionen mit hoher Dichte existieren kann und daher ein Marker für sehr dichtes Gas ist - fanden die Astronomen jedoch kaum dichte Kerne. "Das war sehr überraschend", sagt Pillai. "Wir haben erwartet, dass wir viel dichteres Gas sehen werden."
Als nächstes wollten die Astronomen sehen, ob die Wolke durch ihre eigene Schwerkraft zusammengehalten wird oder sich so schnell dreht, dass sie kurz davor ist, auseinanderzufliegen. Wenn es zu schnell läuft, kann es keine Sterne bilden. Mithilfe des kombinierten Arrays zur Erforschung der Millimeterwellenastronomie (CARMA), einer Sammlung von 23 Radioteleskopen in Ostkalifornien, die von einem Konsortium von Institutionen betrieben wird, zu denen auch Caltech gehört, haben die Astronomen die Geschwindigkeit des Gases in der Wolke und gemessen festgestellt, dass es bis zu 10-mal schneller ist als in ähnlichen Wolken normalerweise zu sehen. Diese bestimmte Wolke, so fanden die Astronomen, wurde durch die eigene Schwerkraft kaum zusammengehalten. In der Tat kann es bald auseinander fliegen.
Das Spitzer-Bild der Wolke (links). Das SMA-Bild (Mitte) zeigt den relativen Mangel an dichten Gaskernen, von denen angenommen wird, dass sie Sterne bilden. Das CARMA-Bild (rechts) zeigt das Vorhandensein von Siliziummonoxid, was darauf hindeutet, dass die Wolke das Ergebnis zweier kollidierender Wolken sein könnte. Bildnachweis: Caltech / Kauffmann, Pillai, Zhang
Die CARMA-Daten zeigten eine weitere Überraschung: Die Wolke ist voll mit Siliziummonoxid (SiO), das nur in Wolken vorhanden ist, in denen strömendes Gas mit Staubkörnern kollidiert und diese zerschmettert, wodurch das Molekül freigesetzt wird. In der Regel enthalten Wolken nur einen Teil der Verbindung. Es wird normalerweise beobachtet, wenn aus jungen Sternen austretendes Gas zurück in die Wolke pflügt, aus der die Sterne geboren wurden. Die große Menge an SiO in der Wolke im galaktischen Zentrum lässt jedoch vermuten, dass es sich um zwei kollidierende Wolken handelt, deren Auswirkungen Stoßwellen in der Wolke im galaktischen Zentrum haben. "Solche Erschütterungen in so großem Maßstab zu sehen, ist sehr überraschend", sagt Pillai.
G0.253 + 0.016 ist möglicherweise in der Lage, Sterne zu bilden, aber dazu müssen sich die Forscher niederlassen, damit sich dichte Kerne bilden können, ein Prozess, der mehrere hunderttausend Jahre dauern kann. Aber während dieser Zeit wird die Wolke eine große Strecke um das galaktische Zentrum herum zurückgelegt haben, und sie kann gegen andere Wolken prallen oder durch die Anziehungskraft des galaktischen Zentrums auseinandergerissen werden. In solch einer störenden Umgebung kann die Wolke niemals Sterne hervorbringen.
Die Ergebnisse verwirren auch ein weiteres Rätsel des galaktischen Zentrums: die Anwesenheit junger Sternhaufen. Der Arches Cluster enthält zum Beispiel etwa 150 helle, massive junge Sterne, die nur wenige Millionen Jahre leben. Da dies eine zu kurze Zeit ist, als dass sich die Sterne anderswo gebildet hätten und in das galaktische Zentrum gewandert wären, müssen sie sich an ihrem aktuellen Standort gebildet haben. Astronomen dachten, dies geschähe in dichten Wolken wie G0,253 + 0,016. Wenn nicht, woher kommen dann die Cluster?
Der nächste Schritt der Astronomen besteht darin, ähnlich dichte Wolken um das galaktische Zentrum zu untersuchen. Das Team hat gerade eine neue Umfrage bei der SMA abgeschlossen und setzt eine weitere mit CARMA fort. In diesem Jahr werden sie auch das Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in der chilenischen Atacama-Wüste, dem größten und modernsten Millimeter-Teleskop der Welt, einsetzen, um ihr Forschungsprogramm fortzusetzen, das das ALMA-Vorschlagsgremium für 2013 mit höchster Priorität bewertet hat.
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