Astronomen glauben, dass sich Sterne in kollabierenden Wolken aus kaltem Wasserstoffgas bilden. Diese Wolken sind sehr schwer zu sehen, da die Erdatmosphäre einen Großteil des von ihr ausgestrahlten Lichts absorbiert. Ein anderes Gas, Kohlenmonoxid, ist jedoch immer ebenfalls vorhanden und kann von der Erde aus leicht beobachtet werden. Astronomen des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie haben eine detaillierte Karte dieser sternbildenden Regionen in der Andromeda-Galaxie entwickelt.
Wie entstehen Sterne? Dies ist eine der wichtigsten Fragen der Astronomie. Wir wissen, dass die Sternentstehung in kalten Gaswolken mit Temperaturen unter -220 ° C (50 K) stattfindet. Nur in diesen Regionen mit dichtem Gas kann die Gravitation zu einem Zusammenbruch und damit zur Sternentstehung führen. Kalte Gaswolken in Galaxien bestehen bevorzugt aus molekularem Wasserstoff H2 (zwei Wasserstoffatome, die als ein Molekül gebunden sind). Dieses Molekül emittiert eine schwache Spektrallinie in der Infrarotbandbreite des Spektrums, die von erdgebundenen Teleskopen nicht beobachtet werden kann, da die Atmosphäre diese Strahlung absorbiert. Daher untersuchen Astronomen ein anderes Molekül, das sich immer in der Nähe von H2 befindet, nämlich Kohlenmonoxid CO. Die intensive Spektrallinie von CO bei einer Wellenlänge von 2,6 mm kann mit Radioteleskopen beobachtet werden, die an atmosphärisch günstigen Stellen platziert sind: hoch und trockene Berge, in der Wüste oder am Südpol. Im kosmischen Raum ist Kohlenmonoxid ein Indikator für günstige Bedingungen für die Bildung neuer Sterne und Planeten.
In unserer Galaxie, der Milchstraße, wurden lange Zeit Untersuchungen zur Verteilung von Kohlenmonoxid durchgeführt. Astronomen finden in den kommenden Millionen von Jahren genug kaltes Gas für die Sternentstehung. Viele Fragen bleiben jedoch unbeantwortet. Zum Beispiel, wie dieser Rohstoff für molekulares Gas überhaupt entsteht. Wird es in der frühen Entwicklungsphase der Galaxie geliefert oder kann es aus wärmerem Atomgas gebildet werden? Kann eine Molekülwolke spontan kollabieren oder braucht sie eine Aktion von außen, um sie instabil zu machen und zu kollabieren? Da sich die Sonne auf der Scheibe der Milchstraße befindet, ist es sehr schwierig, sich einen Überblick über die Prozesse in unserer Galaxie zu verschaffen. Ein Blick von außen würde helfen, ebenso wie ein Blick auf unsere kosmischen Nachbarn.
Die Andromeda-Galaxie, auch bekannt unter der Katalognummer M31, ist ein System von Milliarden von Sternen, ähnlich unserer Milchstraße. Die Entfernung von M31 beträgt „nur“ 2,5 Millionen Lichtjahre und ist damit die nächste Spiralgalaxie. Die Galaxie erstreckt sich über etwa 5 Grad am Himmel und kann mit bloßem Auge als winzige diffuse Wolke gesehen werden. Studien dieses kosmischen Nachbarn können helfen, Prozesse in unserer eigenen Galaxie zu verstehen. Leider sehen wir die Scheibe aus Gas und Sternen in M31 fast am Rande (siehe Abb. 1, rechts).
1995 ein Team von Radioastronomen am Institut für Radioastronomie Millimétrique (IRAM) in Grenoble (Michel Guélin, Hans Ungerechts, Robert Lucas) und am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn (Christoph Nieten, Nikolaus Neininger, Elly Berkhuijsen, Rainer Beck und Richard Wielebinski starteten das ehrgeizige Projekt, die gesamte Andromeda-Galaxie in der Kohlenmonoxid-Spektrallinie abzubilden. Das für dieses Projekt verwendete Instrument war das 30-Meter-Radioteleskop von IRAM, das sich auf Pico Veleta (2970 Meter) in der Nähe von Granada in Spanien befindet. Bei einer Winkelauflösung von 23 Bogensekunden (bei einer Beobachtungsfrequenz von 115 GHz = Wellenlänge von 2,6 mm) mussten 1,5 Millionen Einzelpositionen gemessen werden. Um den Beobachtungsprozess zu beschleunigen, wurde eine neue Messmethode verwendet. Anstatt an jeder Position zu beobachten, wurde das Radioteleskop in Streifen durch die Galaxie gefahren, wobei die Daten kontinuierlich aufgezeichnet wurden. Diese Beobachtungsmethode, „on the fly“ genannt, wurde speziell für das M31-Projekt entwickelt. Dies ist heute Standard, nicht nur beim Pico Veleta-Radioteleskop, sondern auch bei anderen Teleskopen, die bei Millimeterwellenlängen beobachten.
Für jede beobachtete Position in M31 wurde nicht nur ein Wert der CO-Intensität aufgezeichnet, sondern gleichzeitig 256 Werte über das Spektrum mit einer Bandbreite von 0,2% der zentralen Wellenlänge von 2,6 mm. Somit besteht der gesamte Beobachtungsdatensatz aus rund 400 Millionen Zahlen! Die genaue Position der CO-Linie im Spektrum gibt Auskunft über die Geschwindigkeit des kalten Gases. Wenn sich das Gas auf uns zubewegt, wird die Linie zu kürzeren Wellenlängen verschoben. Wenn sich die Quelle von uns entfernt, sehen wir eine Verschiebung zu längeren Wellenlängen. Dies ist der gleiche Effekt (der Doppler-Effekt), den wir hören können, wenn sich die Sirene eines Krankenwagens auf uns zu oder von uns weg bewegt. In der Astronomie ermöglicht der Doppler-Effekt die Untersuchung der Bewegungen von Gaswolken; Es können sogar Wolken mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in derselben Sichtlinie unterschieden werden. Wenn die Spektrallinie breit ist, kann sich die Wolke ausdehnen oder sie besteht aus mehreren Wolken mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Die Beobachtungen wurden 2001 abgeschlossen. Mit mehr als 800 Stunden Teleskopzeit ist dies eines der größten Beobachtungsprojekte, die mit den Teleskopen von IRAM oder MPIfR durchgeführt wurden. Nach umfangreicher Verarbeitung und Analyse der riesigen Datenmengen wurde gerade die vollständige Verteilung des Kaltgases in M31 veröffentlicht (siehe Abb. 1, links).
Das kalte Gas in M31 ist in sehr filigranen Strukturen in den Spiralarmen konzentriert. Die CO-Linie scheint gut geeignet zu sein, um die Spiralarmstruktur zu verfolgen. Die charakteristischen Spiralarme sind in Entfernungen zwischen 25.000 und 40.000 Lichtjahren vom Zentrum von Andromeda zu sehen, wo der größte Teil der Sternentstehung stattfindet. In den zentralen Regionen, in denen sich der Großteil der älteren Sterne befindet, sind die CO-Arme viel schwächer. Aufgrund der hohen Neigung von M31 zur Sichtlinie (ca. 78 Grad) scheinen die Spiralarme einen großen elliptischen Ring mit einer Hauptachse von 2 Grad zu bilden. Tatsächlich wurde Andromeda lange Zeit fälschlicherweise als "Ring" -Galaxie angesehen.
Die Karte der Gasgeschwindigkeiten (siehe Abb. 2) ähnelt einer Momentaufnahme eines riesigen Feuerrads. Auf der einen Seite (im Süden links) bewegt sich das CO-Gas mit etwa 500 km / s auf uns zu (blau), auf der anderen Seite (Norden, rechts) mit „nur“ 100 km / s (rot). Da sich die Andromeda-Galaxie mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 km / s auf uns zubewegt, wird sie in etwa 2 Milliarden Jahren die Milchstraße eng passieren. Außerdem dreht sich der M31 mit etwa 200 km / s um seine Mittelachse. Da sich die inneren CO-Wolken auf einem kürzeren Weg als die äußeren Wolken bewegen, können sie sich gegenseitig überholen. Dies führt zu einer Spiralstruktur.
Die Dichte des kalten molekularen Gases in den Spiralarmen ist viel größer als in den Bereichen zwischen den Armen, während das Atomgas gleichmäßiger verteilt ist. Dies legt nahe, dass aus dem Atomgas in den Spiralarmen molekulares Gas gebildet wird, insbesondere im engen Ring der Sternentstehung. Der Ursprung dieses Rings ist noch unklar. Es könnte sein, dass das Gas in diesem Ring nur Material ist, das noch nicht für Sterne verwendet wird. Oder vielleicht löst das sehr regelmäßige Magnetfeld in M31 die Sternentstehung in den Spiralarmen aus. Beobachtungen mit dem Effelsberg-Teleskop zeigten, dass das Magnetfeld den in CO beobachteten Spiralarmen genau folgt.
Der Ring der Sternentstehung („Geburtszone“) in unserer eigenen Milchstraße, der sich von 10.000 bis 20.000 Lichtjahre vom Zentrum aus erstreckt, ist kleiner als in M31. Trotzdem enthält es fast zehnmal so viel molekulares Gas (siehe Tabelle im Anhang). Da alle Galaxien ungefähr gleich alt sind, war die Milchstraße mit ihrem Rohstoff wirtschaftlicher. Andererseits weisen die vielen alten Sterne in der Nähe des Zentrums von M31 darauf hin, dass die Sternentstehungsrate in der Vergangenheit viel höher war als heute: Hier wurde der größte Teil des Gases bereits verarbeitet. Die neue CO-Karte zeigt uns, dass Andromeda in der Vergangenheit sehr effektiv Sterne gebildet hat. In einigen Milliarden von Jahren könnte unsere Milchstraße Andromeda jetzt ähnlich sehen.
Originalquelle: Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts
