Ein Astrophysiker sagt, dass unsere Milchstraße vielleicht schon tot ist, aber immer noch in Betrieb ist. Warum hören Galaxien auf, Sterne zu bilden, ändern ihre Form und verschwinden?
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Von Kevin Schawinski, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
Wie ein Zombie ist die Milchstraße vielleicht schon tot, aber sie geht weiter. Unser galaktischer Nachbar Andromeda ist mit ziemlicher Sicherheit vor einigen Milliarden Jahren verstorben, hat aber erst vor kurzem begonnen, äußerliche Anzeichen seines Niedergangs zu zeigen.
Galaxien scheinen in der Lage zu sein, auf zwei sehr unterschiedlichen Wegen, angetrieben von sehr unterschiedlichen Prozessen, „umzukommen“ - das heißt, Gas nicht mehr in neue Sterne zu verwandeln. Galaxien wie die Milchstraße und Andromeda tun dies über Milliarden von Jahren sehr, sehr langsam.
Wie und warum Galaxien ihre Sternentstehung "löschen" und ihre Morphologie oder Form ändern, ist eine der großen Fragen in der extragalaktischen Astrophysik. Wir könnten jetzt kurz davor stehen, zusammenzufügen, wie es passiert. Ein Teil des Dankes geht an Bürgerwissenschaftler, die Millionen von galaktischen Bildern durchforstet haben, um zu klassifizieren, was da draußen ist.
Kann eine Galaxie (wie hier NGC 3810) eine klassische Spiralstruktur haben und auch schon tot sein? Bildnachweis: ESA / Hubble und NASA, CC BY
Galaxien wachsen, indem sie neue Sterne bilden
Galaxien sind dynamische Systeme, die ständig Gas ansammeln und einen Teil davon in Sterne umwandeln.
Galaxien brauchen wie Menschen Nahrung. Im Fall von Galaxien ist diese „Nahrung“ eine Zufuhr von frischem Wasserstoffgas aus dem kosmischen Netz, den Filamenten und Lichthöfen der dunklen Materie, die die größten Strukturen im Universum bilden. Wenn dieses Gas abkühlt und in Halos aus dunkler Materie fällt, wird es zu einer Scheibe, die sich noch weiter abkühlen und schließlich in Sterne zerfallen kann.
Wenn Sterne altern und sterben, können sie einen Teil dieses Gases zurück in die Galaxie bringen, entweder durch Winde von Sternen oder durch Supernova. Wenn massive Sterne bei solchen Explosionen sterben, erwärmen sie das Gas um sie herum und verhindern, dass es so schnell abkühlt. Sie liefern das, was Astronomen als „Feedback“ bezeichnen: Die Sternentstehung in Galaxien ist somit ein selbstregulierter Prozess. Die Hitze von sterbenden Sternen bedeutet, dass kosmisches Gas nicht so schnell in neue Sterne abkühlt, was letztendlich bremst, wie viele neue Sterne sich bilden können.
Die meisten dieser sternbildenden Galaxien sind wie unsere Milchstraße scheiben- oder spiralförmig.
Links: Eine Spiralgalaxie, die im blauen Licht junger Sterne von der fortschreitenden Sternentstehung in Flammen steht. rechts: eine elliptische Galaxie im roten Licht alter Sterne. Bildnachweis: Sloan Digital Sky Survey
Aber es gibt eine andere Art von Galaxie, die im Astronomensprache eine ganz andere Form oder Morphologie hat. Diese massiven elliptischen Galaxien neigen dazu, kugelförmig oder fußballförmig auszusehen. Sie sind bei weitem nicht so aktiv - sie haben ihre Gasversorgung verloren und haben daher aufgehört, neue Sterne zu bilden. Ihre Sterne bewegen sich auf viel ungeordneteren Bahnen, was ihnen ihre sperrigere, rundere Form verleiht.
Diese elliptischen Galaxien unterscheiden sich in zwei wesentlichen Punkten: Sie bilden keine Sterne mehr und haben eine andere Form. Ihnen muss etwas ziemlich Dramatisches zugestoßen sein, um so tiefgreifende Veränderungen herbeizuführen. Was?
Blau = jung und Rot = alt?
Die grundlegende Unterteilung von Galaxien in sternbildende Spiralgalaxien, die einerseits im blauen Licht massereicher, junger und kurzlebiger Sterne lodern, und ruhende Ellipsentrainer, die im warmen Schein alter massearmer Sterne gebadet sind, geht auf frühe Galaxienerhebungen des 20. Jahrhunderts zurück.
Als jedoch moderne Vermessungen wie die Sloan Digital Sky Survey (SDSS) anfingen, Hunderttausende von Galaxien aufzuzeichnen, tauchten Objekte auf, die nicht ganz in diese beiden großen Kategorien passten.
Eine signifikante Anzahl roter, ruhender Galaxien ist überhaupt nicht elliptisch, behält jedoch in etwa die Form einer Scheibe bei. Irgendwie hörten diese Galaxien auf, Sterne zu bilden, ohne ihre Struktur dramatisch zu verändern.
Gleichzeitig tauchten blaue elliptische Galaxien auf. Ihre Struktur ähnelt der von "roten und toten" Ellipsen, aber sie leuchten im strahlend blauen Licht junger Sterne, was darauf hinweist, dass die Sternentstehung in ihnen noch andauert.
Wie passen diese beiden seltsamen Kugeln - die roten Spiralen und die blauen Ellipsen - in unser Bild der Galaxienentwicklung?
Mit dem Galaxy Zoo können Bürgerwissenschaftler Galaxien klassifizieren.
in den Bürgerwissenschaftlern
Als Doktorand in Oxford suchte ich nach einigen dieser seltsamen Galaxien. Besonders interessiert waren mich die blauen Ellipsen und die darin enthaltenen Hinweise auf die Entstehung elliptischer Galaxien im Allgemeinen.
Einmal verbrachte ich eine ganze Woche damit, fast 50.000 Galaxien aus SDSS mit dem Auge zu durchlaufen, da keiner der verfügbaren Algorithmen zur Klassifizierung der Galaxienform so gut war, wie ich es brauchte. Ich habe einige blaue Ellipsentrainer gefunden, aber der Wert der Klassifizierung aller rund eine Million Galaxien in SDSS mit menschlichen Augen wurde schnell deutlich. Natürlich war es nicht möglich, alleine eine Million Galaxien zu durchlaufen.
Kurze Zeit später gründeten eine Gruppe von Mitarbeitern und ich galaxyzoo.org und luden Mitglieder der Öffentlichkeit - Bürgerwissenschaftler - ein, an der astrophysikalischen Forschung teilzunehmen. Wenn Sie sich bei Galaxy Zoo angemeldet haben, werden Ihnen ein Bild einer Galaxie und eine Reihe von Schaltflächen angezeigt, die möglichen Klassifizierungen entsprechen, sowie ein Lernprogramm, mit dem Sie die verschiedenen Klassen erkennen können.
Bis wir aufhörten, Klassifizierungen von einer Viertelmillion Menschen aufzuzeichnen, war jede der eine Million Galaxien im Galaxy Zoo über 70 Mal klassifiziert worden, was mir zuverlässige, menschliche Klassifizierungen der Galaxienform, einschließlich eines Maßes an Unsicherheit, ermöglichte. Waren sich 65 von 70 Citizen Scientists einig, dass diese Galaxie eine elliptische ist? Gut! Wenn überhaupt keine Einigung erzielt wird, sind dies auch Informationen.
Indem wir den „Weisheit der Masse“ -Effekt zusammen mit der beispiellosen Fähigkeit des Menschen zur Mustererkennung nutzten, konnten wir eine Million Galaxien sortieren und viele der weniger verbreiteten blauen Ellipsen und roten Spiralen für unser Studium entdecken.
Das Farbmassendiagramm der Galaxie. Blaue, sternförmige Galaxien befinden sich unten in der blauen Wolke. Rote, ruhende Galaxien befinden sich in der roten Reihenfolge oben. Das „grüne Tal“ ist die Übergangszone dazwischen. Bildnachweis: Schawinski + 14
Unwillkürlich im grünen Tal leben?
Die Kreuzung der Galaxienentwicklung ist ein Ort, der als „grünes Tal“ bezeichnet wird. Dies mag sich landschaftlich anhören, bezieht sich jedoch auf die Population zwischen den blauen sternbildenden Galaxien (der „blauen Wolke“) und den roten, sich passiv entwickelnden Galaxien (der „roten“) Reihenfolge"). Galaxien mit „grüner“ oder mittlerer Farbe sollten solche Galaxien sein, bei denen sich die Sternentstehung abschaltet, die aber immer noch eine gewisse Sternentstehung aufweisen - ein Hinweis darauf, dass der Prozess erst vor kurzem, vielleicht vor einigen hundert Millionen Jahren, abgeschaltet wurde .
Interessanterweise geht der Ursprung des Begriffs „grünes Tal“ möglicherweise auf einen Vortrag an der Universität von Arizona über die Evolution der Galaxien zurück, in dem ein Mitglied des Publikums, als der Sprecher das Farbmassendiagramm der Galaxien beschrieb, das Publikum aufrief : „Das grüne Tal, in dem Galaxien sterben!“ Green Valley, Arizona, ist eine Ruhestandsgemeinschaft außerhalb der Universitätsstadt Tucson.
Für unser Projekt kam der wirklich aufregende Moment, als wir uns die Geschwindigkeit anschauten, mit der verschiedene Galaxien starben. Wir fanden heraus, dass die langsam sterbenden Spiralen und die schnell sterbenden Ellipsentrainer sind. Es muss zwei grundlegend unterschiedliche Entwicklungswege geben, die zum Löschen in Galaxien führen. Als wir diese beiden Szenarien untersuchten - langsam zu sterben und schnell zu sterben - wurde klar, dass diese beiden Wege in erster Linie mit der Gasversorgung verknüpft sein müssen, die die Sternentstehung antreibt.
Stellen Sie sich eine Spiralgalaxie wie unsere eigene Milchstraße vor, die fröhlich Gas in Sterne umwandelt, während neues Gas einströmt. Dann geschieht etwas, das die Zufuhr von frischem Gas von außen abschaltet: Vielleicht ist die Galaxie in einen massiven Galaxienhaufen gefallen, in dem sich der heiße Intrahaufen befindet Gas schneidet frisches Gas von außen ab, oder vielleicht ist der Halo der dunklen Materie der Galaxie so stark gewachsen, dass das darin fallende Gas durch einen Schock auf eine so hohe Temperatur erhitzt wird, dass es im Zeitalter des Universums nicht abkühlen kann. In jedem Fall bleibt der Spiralgalaxie nur das Gas in ihrem Reservoir übrig.
Da diese Reservoire sehr groß sein können und die Umwandlung von Gas in Sterne ein sehr langsamer Prozess ist, könnte unsere Spiralgalaxie noch eine Weile mit neuen Sternen „lebendig“ aussehen, während die tatsächliche Geschwindigkeit der Sternentstehung über mehrere Milliarden Jahre abnimmt . Die eiszeitliche Langsamkeit des Verbrauchs des verbleibenden Gasspeichers bedeutet, dass der „Auslösemoment“ vor Milliarden von Jahren eintrat, als wir realisierten, dass sich eine Galaxie im endgültigen Verfall befindet.
Ein Hubble-Bild eines Teils der Andromeda-Galaxie, die wie unsere Milchstraße ein galaktischer Zombie sein könnte. Bildnachweis: NASA, ESA, J. Dalcanton, B. F. Williams und L. C. Johnson (University of Washington), das PHAT-Team und R. Gendler
Die Andromeda-Galaxie, unsere nächste gewaltige Spiralgalaxie, befindet sich im grünen Tal und hat wahrscheinlich ihren Niedergang vor Äonen begonnen: Nach unseren neuesten Forschungen handelt es sich um eine Zombie-Galaxie. Es ist tot, bewegt sich aber weiter und produziert immer noch Sterne, jedoch mit einer geringeren Geschwindigkeit als es sollte, wenn es noch eine normale sternbildende Galaxie wäre. Es ist viel schwieriger herauszufinden, ob sich die Milchstraße im grünen Tal befindet - während sie stillgelegt wird -, da wir uns in der Milchstraße befinden und ihre integrierten Eigenschaften nicht so einfach messen können wie für ferne Galaxien.
Selbst mit den unsichereren Daten sieht es so aus, als ob die Milchstraße gerade am Rande ist und bereit ist, ins grüne Tal zu stürzen. Es ist durchaus möglich, dass die Milchstraße ein Zombie ist, der vor einer Milliarde Jahren gestorben ist.
Kevin Schawinski, Assistant Professor für Galaxy & Black Hole Astrophysics, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.