In den letzten zwei Jahren haben Astronomen die Geschichte unserer Galaxie neu geschrieben
Eine digitale Simulation der Kollision einer großen Galaxie, ähnlich der Milchstraße, mit einer Zwerggalaxie. Astronomen glauben, dass es während der Entstehung der Milchstraße an mindestens einer solchen Kollision beteiligt war.
Vertreter der Khoisan-Völker aus Schwarzafrika , die den gewundenen Streifen aus Sternen und Staub beobachteten, der den Nachthimmel trennte, sahen die Kohlen eines Feuers darin. Polynesische Seeleute sahen einen Hai am Himmel, der Wolken verschlang. Die alten Griechen sahen den Milchfluss und nannten diesen Weg "milchig" - Galaxien - woher der Begriff " Galaxie " später kam .
Im 20. Jahrhundert entdeckten Astronomen, dass unser silberner Fluss nur ein Teil einer riesigen Insel der Sterne ist. Danach schrieben sie ihre eigene Geschichte über den Ursprung der Galaxie [als klar wurde, dass die Milchstraße nicht die einzige Galaxie ist, die Das Wort "Galaxie" mit einem Großbuchstaben wurde als weiterer Eigenname für die Milchstraße hinterlassen. pro.]. Kurz gesagt, die Milchstraße wurde vor etwa 14 Milliarden Jahren durch die Verschmelzung riesiger Gas- und Staubwolken unter dem Einfluss der Schwerkraft geschaffen. Im Laufe der Zeit erschienen zwei charakteristische Strukturen - zuerst ein riesiger kugelförmiger "Lichthof" und dann eine dichte helle Scheibe. Milliarden von Jahren vergingen und unser eigenes Sonnensystem erschien in der Scheibe. Und jetzt nachts in den Himmel schauen [in einem Gebiet mit relativ geringer Lichtverschmutzung / ca. pro.] Wir sehen verschüttete Milch - oder eine Scheibe, die sich von der Seite der Rippe am Himmel erstreckt.
In den letzten zwei Jahren haben Forscher jedoch fast alle wichtigen Kapitel der Geschichte der Galaxis neu geschrieben. Was ist passiert? Sie haben Daten von besserer Qualität.
Am 25. April 2018 veröffentlichte das europäische Raumschiff Gaia eine erstaunliche Menge an Informationen über den Himmel. Am wichtigsten ist, dass die vom Gerät im Laufe des Jahres gesammelten Daten eine detaillierte Beschreibung der Bewegung von etwa einer Milliarde Sternen enthielten. In früheren Studien wurden nur wenige Tausend markiert. Diese Daten haben eine zuvor statische Galaxie wiederbelebt. "Gaia hat eine neue Revolution ins Leben gerufen", sagte Federico Sestito , Astronom am Astronomischen Observatorium in Straßburg in Frankreich.
Astronomen beeilten sich, eine dynamische Karte der Sterne herunterzuladen, woraufhin ein ganzer Wasserfall voller Entdeckungen auftauchte. Es wurde zum Beispiel festgestellt, dass einige Teile der Scheibe unglaublich alt sind. Es wurden Beweise für epische Kollisionen gefunden, die die heiße Jugend der Milchstraße geprägt haben, sowie Hinweise darauf, dass sich die Galaxie bis heute auf unerwartete Weise vermischt.
Der Gaia-Satellit hat das Verständnis der Milchstraße seit ihrem Start im Dezember 2013 revolutioniert.
Alle diese Ergebnisse zusammen bilden eine neue Geschichte der turbulenten Vergangenheit unserer Galaxie und ihrer kontinuierlichen Entwicklung in der Zukunft. "Unser Verständnis der Milchstraße hat sich sehr schnell geändert", sagte Michael Petersen , Astronom an der Universität von Edinburgh. „Es wird jetzt angenommen, dass die Milchstraße kein statisches Objekt ist. Alles ändert sich sehr schnell in seinem gesamten Umfang. "
Die frühesten Sterne
Um einen Einblick in die frühesten Tage der Galaxis zu erhalten, suchen Astronomen nach den Sternen, die zu dieser Zeit existierten. Sie bestanden nur aus Wasserstoff und Helium, den ursprünglichsten Materialien im Universum. Glücklicherweise brennen die kleinsten Sterne dieser Generation auch viel langsamer als die anderen, so dass viele immer noch leuchten.
Nach jahrzehntelanger Beobachtung stellten die Forscher einen Katalog von 42 Oldtimern zusammen, die als ultra-metallarme Sterne bekannt sind (Astronomen nennen "Metall" alles, was schwerer als Helium ist). Gemäß der Standardgeschichte der Entwicklung der Milchstraße sollten diese Sterne um das gesamte Volumen des Heiligenscheines herumhängen - den Teil der Galaxie, der überhaupt erst erschien. Und die Scheibe, deren Berechnung und Abflachung nach Berechnungen etwa eine Milliarde Jahre hätte dauern müssen, sollte mit Sternen mit schwereren Elementen wie Kohlenstoff oder Sauerstoff besetzt sein.
Ende 2017 beschloss Sestito, die Bewegung dieses metallarmen Schwarms zu untersuchen und ein Programm zu schreiben, das die im Gaia-Projekt erzielten Ergebnisse analysiert. Vielleicht könnten ihre auf der Kugel liegenden Flugbahnen die Geschichte des Heiligenscheines suggerieren.
Er zog Informationen über die Flugbahnen von 42 alten Sternen aus einem vollständigen Datensatz. Es stellte sich heraus, dass sich die meisten von ihnen, wie vorhergesagt, innerhalb des Heiligenscheines bewegten. Einige - etwa 1 von 4 - bewegten sich jedoch anders. Sie schienen in der Ebene der Scheibe zu stecken - dem jüngsten Abschnitt der Milchstraße. "Was zur Hölle", fragte sich Sestito, obwohl er in diesem Moment ein etwas anderes Wort benutzte. - Was ist los?"
Nachfolgende Untersuchungen bestätigten, dass diese Sterne schon lange auf der Scheibe sind und nicht nur Touristen sind, die sie passieren. Basierend auf zwei jüngsten Beobachtungen haben Sestito und Kollegen eine Bibliothek mit 5.000 metallarmen Sternen zusammengestellt. Einige Dutzend von ihnen erwiesen sich definitiv als ständige Bewohner der Festplatte.... Eine andere Gruppe von Wissenschaftlern kämmte weitere 500 Sterne, die bei einer anderen Beobachtung gefunden wurden, und stellte fest, dass jedes Zehntel der Umlaufbahnen in der Ebene der Scheibe liegt. Die dritte Gruppe von Wissenschaftlern untersuchte mehrere Sterne unterschiedlicher Metallizität (und damit unterschiedlichen Alters), die in einer flachen Scheibe umkreisten. "Es war etwas völlig Neues", sagte die Hauptautorin Paola di Matteo, Astronomin am Pariser Observatorium.
Wie kamen diese Anachronismen dorthin? Sestito vermutete, dass es einzelnen Clustern alten Gases irgendwie gelang, alle von Supernovae ausgebrochenen Metalle für längere Zeit zu vermeiden, wonach sich aus diesem Gas täuschend alte Sterne bildeten. Oder die Scheibe nahm zur gleichen Zeit wie der Heiligenschein Gestalt an - 1 Milliarde Jahre früher als geplant.
Um herauszufinden, welche dieser Annahmen wahrscheinlicher ist, wandte er sich an Tobias Buck , einen Forscher am Astrophysikalischen Institut in Potsdam in Deutschland, der sich auf die Erstellung digitaler Simulationen von Galaxien spezialisiert hat. In der Vergangenheit führten solche Versuche normalerweise dazu, dass zuerst der Lichthof und anschließend die Scheibe wie erwartet gebildet wurde. Diese Versuche hatten jedoch eine relativ niedrige Auflösung.
In diesen digitalen Simulationen bildet und entwickelt sich eine Galaxie, die unserer eigenen Milchstraße ähnelt, über 13,8 Milliarden Jahre vom Beginn des Universums bis zur Gegenwart. Die linke Spalte zeigt die Verteilung der unsichtbaren dunklen Materie. Im Durchschnitt die Gastemperatur (blau - kalte Bereiche, rot - heiß). Rechts ist die Dichte der Sterne. Die Reihen sind für die Skalierung verantwortlich: Die obere Reihe ist eine Nahansicht der galaktischen Scheibe. Der mittlere ist etwas weiter entfernt und überblickt den Heiligenschein. Die untere ist eine entfernte Ansicht, die die Umgebung der Galaxie zeigt.
Buck erhöhte die Auflösung der Simulationen um etwa das Zehnfache. Jeder Durchlauf einer solchen Simulation erforderte erhebliche Rechenressourcen. Und obwohl er Zugang zum Supercomputer-Center hatte. In Leibniz in Deutschland dauerte eine Simulation etwa drei Monate Rechenzeit. Und er wiederholte dies sechsmal.
Fünf von sechs Fällen stellte sich heraus, dass es sich um einen Zwilling der Milchstraße handelte. In zwei dieser Simulationen enthielt die Scheibe signifikante Mengen metallarmer Sterne.
Woher kamen diese alten Sterne auf der Scheibe? Mit anderen Worten, sie waren Star-Einwanderer. Einige von ihnen wurden in Wolken geboren, die vor der Milchstraße erschienen. Dann landeten diese Sterne aus den Wolken einfach in solchen Umlaufbahnen, dass sie in Zukunft Teil der galaktischen Scheibe sein werden. Andere Sterne stammen von Zwerggalaxien, die mit der Milchstraße kollidierten und in die Ebene der sich bildenden Scheibe eintraten.
Ergebnisse veröffentlichtForscher im November 2020 schlagen vor, dass klassische Modelle der Entstehung der Galaxie unvollständig waren. Gaswolken fallen tatsächlich zu kugelförmigen Lichthöfen zusammen. Aber Sterne, die in geeigneten Winkeln ankommen, können gleichzeitig die Scheibenbildung auslösen. "Die Theoretiker haben sich nicht geirrt", sagte Buck. "Sie haben nur einen Teil des Gesamtbildes verpasst."
Stürmische Jugend
Die Schwierigkeiten endeten nicht dort. Gaia half dabei, direkte Hinweise auf katastrophale Zusammenstöße zu finden. Astronomen gingen bereits davon aus, dass die Milchstraße ein aktives Leben hatte, aber Helmer Koppelman , der am Princeton Institute for Advanced Research arbeitet und Daten von Gaia verwendet, konnte spezifische Überreste einer der größten Fusionen finden.
Koppelman erinnert sich, dass Gaias Daten am Mittwoch im April 2018 veröffentlicht wurden und die Website des Projekts aufgrund des rasenden Rennens um das Herunterladen von Dateien praktisch eingestellt wurde. Am Donnerstag verarbeitete er die Daten und am Freitag wusste er, dass er auf etwas Großes gestoßen war. In alle Richtungen hüpfte eine große Anzahl von Sternen in der Mitte der Milchstraße auf ähnliche und seltsame Weise hin und her. Dies war ein Beweis dafür, dass sie in einer Zwerggalaxie erschienen. Am Sonntag hatten Koppelman und sein Team eine kurze wissenschaftliche Arbeit fertig , und bis Juni war eine detailliertere Analyse fertig.
Überall konnten Trümmer von kollidierenden Galaxien gefunden werden. Bis zu die Hälfte der Sterne im inneren Lichthof mit einem Durchmesser von 60.000 Lichtjahren (der Lichthof selbst hat einen Radius von Hunderttausenden von Lichtjahren) könnte als Ergebnis dieser einen Kollision aufgetreten sein. Es könnte die Gesamtmasse der Milchstraße um 10% erhöhen. "Das ändert alles", sagte Koppelman. "Ich habe erwartet, dass es viele verschiedene kleine Objekte geben wird."
Simulation, die die Entstehung und Entwicklung einer Galaxie wie der Milchstraße über 10 Milliarden Jahre zeigt. Viele kleine Zwerggalaxien fallen in die Hauptscheibe und werden oft Teil davon.
Die Gruppe benannte die Galaxie, die mit unserer kollidierte, Gaia Enceladus, nach der griechischen Göttin Gaia und ihrem Sohn von Titan Enceladus. Ein anderes Team entdeckte unabhängig voneinander ungefähr zur gleichen Zeit dieselbe Galaxie und nannte sie auf einigen Orbitalkarten "Wurst" nach ihrer Form.
Nach der Kollision von Milchstraße und Gaia-Enceladus, die wahrscheinlich vor etwa 10 Milliarden Jahren stattgefunden hat, haben sich massive Schäden auf der fragilen Scheibe der Milchstraße ausgebreitet. Astronomen streiten sich darüber, warum die Scheibe unserer Galaxie sozusagen aus zwei besteht - einer dünnen und einer dickeren Scheibe, in der die Sterne, die sich um die Mitte der Galaxie drehen, auf und ab springen. Heute , di Matteos Forschung legt nahe , dass Gaia Enceladus einfach einen großen Teil der Scheibe aufgerissen, es dicker während des Aufpralls zu machen. "Die erste alte Scheibe bildete sich ziemlich schnell, und dann, wie wir glauben, zerstörte Gaia-Enceladus sie einfach", sagte Koppelman.
In Kugelsternhaufen finden sich auch Hinweise auf andere Fusionen. Diederik Kruissen , Astronom an der Universität Heidelberg in Deutschland, trainierte mithilfe von Galaxiensimulationen ein neuronales Netzwerk, das Kugelsternhaufen sorgfältig erforschte. Er startete ein Netzwerk, um das Alter, die Zusammensetzung und die Umlaufbahnen der Cluster zu untersuchen. Basierend auf den erhaltenen Daten konnte das neuronale Netzwerk die Kollisionen, die Galaxien bildeten, nachbilden. Und dann wandte er diese Informationen auf reale Daten aus der Milchstraße an. Das Programm rekonstruierte sowohl bekannte Ereignisse wie die Kollision mit Gaia-Enceladus als auch einen älteren und bedeutenderen Zusammenfluss, den eine Gruppe von Wissenschaftlern als Kraken bezeichnete.
Im August veröffentlichte die Kruissen-Gruppe eine Liste von FusionenDie Milchstraße und die Zwerggalaxien, die sie gebildet haben. Die Wissenschaftler sagten außerdem 10 weitere Kollisionen in der Vergangenheit voraus, die sie von unabhängigen Beobachtern erhalten wollten. "Wir haben diese zehn Kollisionen noch nicht gefunden", sagte Cruissen, "aber wir werden es tun."
All diese Fusionen haben einige Astronomen zu der Annahme veranlasst, dass der Heiligenschein fast ausschließlich aus Immigrantensternen besteht. Modelle aus den 60er und 70er Jahren sagten voraus, dass sich die meisten Sterne in der Milchstraße an Ort und Stelle bilden würden. Aber im Laufe der Zeit erweisen sich immer mehr Sterne als Außerirdische. Wahrscheinlich müssen Astronomen nicht mehr davon ausgehen, dass viele oder sogar irgendwelche Sterne an Ort und Stelle geboren wurden, sagt di Matteo.
Eine ruhig wachsende Galaxie
Die Geschichte der Milchstraße war in letzter Zeit eher ruhig, aber Neuankömmlinge streben weiterhin danach. Astronomieliebhaber aus der südlichen Hemisphäre können mit bloßem Auge einige Zwerggalaxien, die großen und kleinen Magellanschen Wolken, sehen . Astronomen haben diese beiden loyalen Satelliten unserer Galaxie lange betrachtet, so etwas wie die Monde der Milchstraße.
Mehrere Beobachtungen des Hubble-Teleskops, die zwischen 2006 und 2013 durchgeführt wurden, zeigten jedoch, dass sie eher wie Meteoriten aussahen, die auf uns zuflogen. Nitya Kallivayalil , Astronomin an der Universität von Virginia, berechnete, dass sie mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 km / s direkt auf uns zukommen - fast doppelt so schnell wie bisher angenommen.
Der Aufstieg der großen und kleinen Magellanschen Wolken über dem Mount Bromo, einem aktiven Vulkan im Nationalpark Java Island in Indonesien,
als ein Team unter der Leitung des Astronomen Jorge Penarrubia , eines Astronomen am Royal Edinburgh Observatory, einige Jahre später die Daten verarbeitete. Sie kamen zu dem Schluss, dass diese Geschwindigkeitswolken sehr massiv sein müssen - wahrscheinlich zehnmal härter als bisher angenommen.
"Überraschung nach Überraschung", sagte Peñarrubia.
Verschiedene Gruppen haben vorausgesagt, dass unerwartet schwere Zwerge Teile der Milchstraße herumschleppen könnten, und dieses Jahr hat sich Peñarrubia mit Petersen zusammengetan, um Beweise dafür zu finden.
Das Problem bei der Untersuchung der Bewegung von Galaxien ist, dass die Milchstraße ein wütender Schneesturm von Sternen ist und Astronomen versuchen, aus einer der Schneeflocken herauszuschauen. Daher haben Peñarrubia und Petersen für den größten Teil der Quarantäne herausgefunden, wie die Bewegungen der Erde und der Sonne neutralisiert und die Bewegung des Sternhalos gemittelt werden können, damit seine äußere Grenze als stationärer Hintergrund dienen kann.
Nachdem sie die Daten auf diese Weise kalibriert hatten, stellten sie fest, dass sich die Erde, die Sonne und der Rest der Scheibe, in der sie sich befanden, alle in die gleiche Richtung neigten. Aber sie bewegen sich nicht an den aktuellen Ort der Großen Magellanschen Wolke, sondern an den Ort, an dem sie vor einer Milliarde Jahren war (Petersen erklärte, dass die Galaxie ein ungeschicktes Tier mit langsamen Reflexen ist). Sie haben vor kurzem detailliertihre Entdeckungen in der Zeitschrift Nature Astronomy.
Die Bewegung der Scheibe relativ zum Lichthof zerstört die Grundannahme, dass in der Milchstraße ein Gleichgewicht besteht. Es kann sich drehen und durch den Weltraum gleiten, aber die meisten Astronomen gingen davon aus, dass die erwachsene Scheibe und der Halo nach Milliarden von Jahren eine stabile Konfiguration gebildet hatten.
Die Analyse von Peñarrubia und Petersen zeigt, dass diese Annahme falsch ist. Auch nach 14 Milliarden Jahren prägen Fusionen weiterhin die Gesamtform der Galaxie. Dies ist die neueste Änderung in unserem Verständnis der Prozesse, die in dem riesigen Milchstrom stattfinden, der in unserem Himmel hängt.
"Jetzt brauchen wir ein neues Modell, um die Zukunft und Geschichte der Milchstraße zu beschreiben, von der wir dachten, dass sie bereits bekannt ist", sagte Petersen.