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Eine mehrjährige Studie der Whirlpool-Galaxie (M51) hat das Bild der Astronomen von den riesigen Molekülwolken verändert, in denen Sterne geboren werden. Die Untersuchung, die einen Katalog mit 1500 solcher Wolken erstellt hat, zeigt, dass die Wolken offenbar in eine Art diffuser Molekül-Nebelschwaden eingebettet sind, welche die gesamte galaktische Scheibe durchziehen. Der Druck, den diese Nebelschwaden ausüben, bestimmt, ob sich in den Wolken neue Sterne bilden oder nicht. Die Studie wurde von Eva Schinnerer vom Max-Planck-Institut für Astronomie geleitet und beruht wesentlich auf Daten der Millimeter-Teleskope von IRAM, Institut de Radioastronomie Millimétrique.

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Abbildung 1: Molekülwolken in der Whirlpool-Galaxie M 51. Die blauen Strukturen zeigen die Verteilung der Wasserstoffmoleküle in M51 an, des Rohmaterials für die Sternentstehung. Die Astronomen des PAWS-Teams haben aus diesen Daten einen Katalog von mehr als 1.500 Molekülwolken erstellt.

Im Hintergrund ist ein Bild der Galaxie im sichtbaren Licht zu sehen, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Hubble. Darüber ist in blau die CO(1-0)-Strahlung der Kohlenstoffmonoxid-Moleküle gezeigt, die für die PAWS-Studie mit den Millimeterteleskopen des Institut de Radioastronomie Millimétrique aufgenommen wurden; da Kohlenstoffmonoxid- und Wasserstoffmoleküle zusammen auftreten, zeigt diese Strahlung die Verteilung von molekularem Wasserstoff an.

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Die meisten Sterne einer Galaxie werden im Inneren von Molekülwolken (giant molecular clouds, GMCs) geboren – Ansammlungen von Wasserstoffmolekülen mit Massen zwischen eintausend und einige Millionen Mal der Masse der Sonne. Kollabiert eine Gasregion im Inneren dieser Wolken unter ihrer eigenen Schwerkraft, dann zieht sich das Gas darin soweit zusammen, bis Druck und Temperatur hoch genug sind, dass Kernfusion einsetzen kann: ein neuer Stern ist entstanden.

Jetzt stellt eine neue Studie die herkömmlichen Ansichten der Astronomen über diese Stern-Geburtsstätten infrage. Eva Schinnerer (Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA]), die Leiterin der Untersuchung, erklärt: »In den letzten vier Jahren haben wir die bislang vollständigste Kartierung solcher riesigen Molekülwolken in einer Spiralgalaxie vorgenommen, die unserer eigenen Milchstraße sehr ähnlich ist. Dazu haben wir rekonstruiert, wieviele Wasserstoff-Moleküle es dort gibt und wie die Molekülgas sowie die älteren und die jüngeren Sterne der Galaxie verteilt sind. Dabei ergibt sich ein Bild, das sich deutlich von dem unterscheidet, was Astronomen bislang über diese Molekülwolken dachten.« Die Durchmusterung heißt verkürzt PAWS und hat die sogenannte Whirlpoolgalaxie M51 ins Visier genommen, eine Spiralgalaxie im Sternbild Jagdhunde (Canes Venatici), rund 23 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Herausgekommen ist ein Wolkenatlas, der mehr als 1.500 einzelne Molekülwolken verzeichnet.

Annie Hughes, eine Postdoktorandin am MPIA, die an der Studie beteiligt war, sagt: »Astronomen haben sich diese Molekülwolken früher immer als Einzelgänger vorgestellt, die für sich alleine durch das extrem dünne Gas des interstellaren Mediums driften – in den Wolken, so dachte man, sei der überwiegende Teil der Wasserstoffmoleküle einer Galaxie gespeichert. Stattdessen haben wir jetzt gezeigt, dass sich in der Whirlpool-Galaxie rund die Hälfte der Wasserstoffmoleküle in einer Art diffuser Nebelschwaden befinden, welche die Molekülwolken umgeben und die gesamte Scheibe der Galaxie ausfüllen!«

Den Spiralarmen von Spiralgalaxien – Verdichtungen, die sich durch die Galaxie ausbreiten wie Wellen auf einem See – hatten die Astronomen bereits früher eine wichtige Rolle bei der Sternentstehung zugewiesen: In den Spiralarmen mit ihrem dichteren Gas seien die Bedingungen für die Geburt neuer Sterne besonders günstig. Doch die Studie zeigt, dass auch die neu entdeckten "Nebelschwaden" aus Gas eine wichtige Rolle spielen. Sharon Meidt, ebenfalls Postdoktorandin am MPIA und an der Studie beteiligt, sagt: »Die Molekülwolken sind definitiv keine Einzelgänger. Im Gegenteil: Ob sich in einer dieser Wolken neue Sterne bilden, hängt entscheidend von der Wechselwirkung zwischen der Wolke, den umgebenden Nebelschwaden und der großräumigen Struktur der Galaxie ab. Bewegen sich die Nebelschwaden relativ zu den Spiralarmen der Galaxie, dann nimmt der Druck in ihrem Inneren ab – Folge eines allgemeinen Strömungsgesetzes, des Bernoulli-Gesetzes. Auch auf die Wolken im Inneren der Nebelschwaden wirkt dann nur noch ein geringerer Außendruck. Dadurch wird es unwahrscheinlich, dass solch eine Wolke kollabiert und neue Sterne bildet.«

Bernoullis Gesetz wird auch zumindest für einen Teil eines Effekts verantwortlich gemacht, den viele Leser aus dem Alltag kennen dürften: Ein Duschvorhang wird beim Duschen aufgrund des verringerten Drucks nach innen gezogen.

Jerome Pety vom Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), das die für die Untersuchung benutzten Teleskope betreibt, fügt hinzu: »Dies ist ein schönes Beispiel dafür, wie unsere Teleskope ihre Stärken ausspielen können. Die Kombination aus langer Beobachtungszeit, der Notwendigkeit von Detailschärfe, wie sie nur ein Interferometer liefern kann, und von Überblicksbildern, wie sie unsere 30-Meter-Antenne liefern kann – das wäre so an keinem anderen Observatorium möglich gewesen.«

Schinnerer sagt: »Bislang haben wir mit der Whirlpool-Galaxie nur eine einzige Beispielgalaxie derart genau untersucht. Als nächstes müssen wir nachprüfen, wieweit sich unsere Ergebnisse auf andere Galaxien übertragen lassen. Dafür eignet sich die geplante Erweiterung NOEMA des Verbundteleskops auf dem Plateau de Bure als auch das Verbundteleskop ALMA in Chile – mit ihnen können wir Wolkenatlanten für Spiralgalaxien erstellen, die noch deutlich weiter entfernt sind als die Whirlpool-Galaxie.«

Hintergrundinformationen

PAWS steht für »PdBI Arcsecond Whirlpool Survey«, zu deutsch etwa »Durchmusterung der Whirlpool-Galaxie mit einer Detailschärfe (Auflösungsvermögen) im Bogensekundenbereich unter Benutzung des Plateau de Bure-Interferometers (PdBI)«.

Das PAWS-Team besteht aus Eva Schinnerer (Leiterin; Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA]), Dario Colombo (MPIA), Clare Dobbs (University of Exeter), Gaëlle Dumas (IRAM Grenoble), Santiago García-Burillo (Observatorio Astronómico Nacional, Madrid), Annie Hughes (MPIA), Carsten Kramer (IRAM Granada), Adam Leroy (National Radio Astronomy Observatory), Sharon Meidt (MPIA), Jerôme Pety (IRAM Grenoble), Karl Schuster (IRAM Grenoble) und Todd Thompson (Ohio State University).

Weitere Informationen finden sich auf der PAWS-Homepage
http://www.mpia.de/home/PAWS (auf englisch).

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind als Serie von fünf Artikel in der Ausgabe vom 10. Dezember 2013, Volume 1 des Astrophysical Journalerschienen:

• Schinnerer E., et al., "The PdBI Arcsecond Whirlpool Survey (PAWS): A Cloud-Scale/Multi-Wavelength View of the Interstellar Medium in a Grand-Design Spiral Galaxy", astro-ph/1304.1801
• Pety, J., et al., "The PdBI+30m Arcsecond Whirlpool Survey Reveals a Thick Disk of Diffuse Molecular Gas in the M51 Galaxy", astro-ph/1304.1396
• Hughes, A. et al., "Probability Distribution Functions of CO(1-0) Brightness and Integrated Intensity in M51: the PAWS View", astro-ph/1304.1219
• Meidt, S., et al., "Gas Kinematics on GMC Scales in M51 with PAWS: Cloud Stabilization through Dynamical Pressure", astro-ph/1304.7910
• Hughes, A., et al., "A Comparative Study of Giant Molecular Clouds in M51, M33 and the Large Magellanic Cloud", astro-ph/1309.3453

Zwei weitere Fachartikel von D. Colombo et al., in denen unter anderem der vollständige PAWS-Katalog von riesigen Molekülwolken enthalten ist, sind zur Veröffentlichung beim Astrophysical Journal eingereicht.

Welche Teleskope und Instrumente wurden für diese Studie verwendet?
Daten für PAWS wurden zwischen August 2009 und Juni 2010 mit dem Plateau de Bure Interferometer (PdBI) in den französischen Alpen und dem IRAM-30m-Teleskop in der spanischen Sierra Nevada aufgenommen. Beide Teleskope werden vom Institut de Radioastronomie Millimétrique mit Hauptsitz in Grenoble betrieben. Das PdBI besteht aus sechs Radioschüsseln, jede davon mit 15 Meter Durchmesser, die in bis zu 760 Metern Entfernung voneinander aufgestellt und dann so zusammengeschaltet werden können, dass sie wie ein einziges, riesiges Radioteleskop agieren. Die Größe dieses virtuellen Teleskops ist dergestalt, dass selbst in einer Galaxie wie M51, die 23 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist, Details mit einer Größe von etwas mehr als 100 Lichtjahren unterscheidbar sind. Das 30m-Teleskop lieferte ergänzende Daten zur Galaxie als Ganzes.

Die Beobachtungen nutzen den CO(1-0)-Übergang von Kohlenstoffmonoxid (CO). CO-Moleküle werden dabei zum indirekten Nachweis der weit häufigeren Wasserstoffmoleküle herangezogen: Wasserstoffmoleküle geben kaum elektromagnetische Strahlung ab und sind entsprechend schwierig zu beobachten. Aber man findet sie typischerweise in Gesellschaft von (deutlich selteneren) CO-Molekülen, die sich im Radio- und Infrarotbereich des Spektrums nachweisen lassen. Das Häufigkeitsverhältnis von CO- zu Wasserstoffmolekülen ist recht konstant. Sind die CO-Moleküle nachgewiesen, lassen sich Anwesenheit und Menge der assoziierten Wasserstoffmoleküle abschätzen. Die CO-Daten wurden verwendet, um einen kompletten Atlas von interstellaren Molekülwolken (giant molecular clouds, GMC) zu erstellen. Die kleinsten Details, die sich darauf unterscheiden lassen, sind rund 50 Lichtjahre groß.

Die Untersuchung griff auch auf bereits existierende Daten zu M51 zurück, die Aufschluss über ionisiertes und atomares Gas, die verschiedenen Sorten von Sterne und insbesondere die Anwesenheit junger, frisch entstandener Sterne in M51 geben. Genutzt wurden Archivdaten des 2MASS Survey, des Weltraumteleskops Hubble, der Infrarotteleskope Spitzer und Herschel, des Ultraviolett-Weltraumteleskops GALEX und der THINGS-Durchmusterung für atomaren Wasserstoff.


Was ist an diesen Ergebnissen neu und wichtig?
Dies ist das erste Mal, dass für eine Spiralgalaxie ein derart vollständiges und detailliertes Inventar von Riesen-Molekülwolken aufgenommen wurde. M51 ist dafür besonders geeignet: Die Entfernung dieser Galaxie ist auf extragalaktischen Skalen nicht ausnehmend groß (rund 23 Millionen Lichtjahre), so dass sich einzelne Molekülwolken getrennt nachweisen und abbilden lassen. Zu M51 existiert eine Vielzahl von Beobachtungsdaten bei den unterschiedlichsten Wellenlängen. Außerdem sehen wir diese Galaxie direkt von oben; da Gas und Stern einer Spiralgalaxie in einer flachen Scheibe angeordnet sind, ist dies die optimale Perspektive, um einen Überblick zu bekommen.

Der Wolkenatlas konnte nur erstellt werden, weil dafür am Plateau de Bure Interferometer (PdBI) 169 Beobachtungsstunden – ein Rekord für solche Beobachtungsprogramme [um Molekülgas in Galaxien im jungen Universum zu beobachten gibt es ein deutlich längere Programm] – zur Verfügung standen. Nur mit einem Verbundteleskop wie dem PdBI, dessen Antennen zusammengeschaltet eine Auflösung von rund einer Bogensekunde ergeben sind die Molekülwolken einzeln sichtbar; diese Auflösung entspricht in einer Galaxie, die soweit von uns entfernt ist wie M51, einer Längenskala von rund 130 Lichtjahren (rund 8 Millionen mal dem Abstand Erde-Sonne).

Die Analyse der Daten inklusive Rekonstruktion der Verteilung von Wasserstoffmolekülen (erschlossen aus der Verteilung der CO-Moleküle), Vergleich mit den bereits bekannten Verteilungen für atomaren Wasserstoff, Staub und verschiedene Sorten von Sternen sowie die Identifizierung und Erfassung von mehr als 1.500 einzelnen Molekülwolken war ein durchaus aufwändiges Vorhaben, welches das PAWS-Team drei Jahre lang beschäftigt hat.

Zur Belohnung gab es dann allerdings eine Reihe von Überraschungen, die das Bild der Astronomen von interstellaren Molekülwolken nachhaltig verändern dürften. Die erste Überraschung war, dass ein so großer Anteil von molekularem Wasserstoff – rund die Hälfte der Gesamtmenge! – außerhalb der Molekülwolken vorkommt und eine diffuse Scheibe bildet, die sich durch die gesamte Galaxie erstreckt. Im Haupttext sprechen wir von »Nebelschwaden« um zu zeigen, dass es sich um diffuse, nicht klar abgegrenzte, ausgedehnte Gebilde handelt (das Wort "Nebel" selbst ist in der Astronomie bereits mit anderer Bedeutung in Gebrauch).

Mit dieser unerwarteten Verteilung war auf einmal auch der Einfluss des äußeren Drucks, denn die Nebelschwaden auf die Molekülwolken ausüben, wichtig. Zuvor hatten die Astronomen äußeren Druck vernachlässigt, wenn es darum ging, die Bedingungen dafür zu bestimmen, ob eine Molekülwolke kollabiert und Sterne erzeugt oder nicht. Jetzt ergibt sich ein anderes Bild: reduziert man den äußeren Druck, dann hemmt man damit auch die Sternentstehung.

Das erklärt auch ein anderes ungewöhnliches Ergebnis der Studie. Zuvor waren die Astronomen davon ausgegangen, dass Materialdichte der Schlüsse dazu ist, ob sich in Molekülwolken neue Sterne bilden: erhöhe die Dichte deiner Wolke, und es werden Sterne entstehen. In Spiralgalaxien sind die Spiralarme die Zonen erhöhter Dichte – bei diesen Armen handelt es sich um Verdichtungen, die sich ähnlich wie Schallwellen durch die galaktische Scheibe bewegen. Dementsprechend würde man erwarten: in den Spiralarmen deutlich erhöhte Sternentstehungsraten, außerhalb der Spiralarme deutlich niedrigere.

Die neue Untersuchung zeigt allerdings, dass sich eine größere Region in den Spiralarmen von M51 als Gegenbeispiel eignet – dort entstehen so gut wie keine neuen Sterne. Die Erklärung ergibt sich wieder einmal aus der Rolle des äußeren Drucks: Rekonstruiert man, wie sich die Materie innerhalb der Galaxie bewegt, dann stellt sich heraus, dass sich in dieser Region die Nebelschwaden (und die darin befindlichen Molekülwolken) relativ zu den Spiralarmen der Galaxie mit einer Geschwindigkeit von 15-20 Kilometern pro Sekunde bewegen. Bernoullis Gesetz aus der Strömungsmechanik besagt, dass diese Relativbewegung den Druck im Inneren der Nebelschwaden senkt. Damit senkt sich auch der Außendruck, den die Nebelschwaden auf die in ihrem Inneren befindlichen Molekülwolken ausüben, und dies wiederum hemmt die Sternentstehung. Äußerer Druck durch die umgebenden molekularen Nebelschwaden erweist sich als Schlüsselfaktor zur Bestimmung von Sternentstehungsraten – ein Schlüsselfaktor, der bislang sträflich vernachlässigt wurde.


Was sind die nächsten Schritte?
Als nächstes geht es darum, die Ergebnisse, die PAWS für die Whirlpool-Galaxie erhalten hat, zu verallgemeinern – gelten sie in genau dieser Form auch für andere Galaxien, oder ist die Situation dort wiederum eine andere? Ein lohnendes nächstes Ziel sind sogenannte Balkenspiralgalaxien, die in ihren Zentralregionen eine längliche Verteilungsstruktur von Sternen aufweisen, "Balken" genannt. Für Gas, das entlang des Balkens fließt, sollten die bei M51 festgestellten Effekte eine noch größere Rolle spielen als für Gas in Spiralarmen.

Für weitere Beobachtungen sind dabei vor allem zwei zukünftige Teleskope von Interesse: Zum einen die NOEMA-Erweiterung des Plateau de Bure-Interferometers, die bereits deutlich größere Detailschärfe besitzt. Und mit dem kürzlich eingeweihten Verbundteleskop ALMA in Chile, das aus mehr als 60 Einzelantennen besteht und mit dem Beobachtungen wie für PAWS in einem Bruchteil (ca. 10%) der Zeit möglich sind.

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Abbildung 2: Molekül- und Gaswolken in der Whirlpool-Galaxie M 51. Die blauen Strukturen zeigen die Verteilung der Wasserstoffmoleküle in M51 an, des Rohmaterials für die Sternentstehung. Die Astronomen des PAWS-Teams haben aus diesen Daten einen Katalog von mehr als 1.500 Molekülwolken erstellt. In rot sind Wolken von atomarem Wasserstoff sichtbar.

Im Hintergrund ist ein Bild der Galaxie im sichtbaren Licht zu sehen, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Hubble. Darüber ist in blau die CO(1-0)-Strahlung der Kohlenstoffmonoxid-Moleküle gezeigt, die für die PAWS-Studie mit den Millimeterteleskopen des Institut de Radioastronomie Millimétrique aufgenommen wurden; da Kohlenstoffmonoxid- und Wasserstoffmoleküle zusammen auftreten, zeigt diese Strahlung die Verteilung von molekularem Wasserstoff an. Rot ist die HI-Linienemission des atomaren Gases dargestellt.

Quelle: MPI-Heidelberg