Rätsel um fehlende Sterne scheint gelöst

19. November 2010, 21:15
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Astronomen finden Erklärung für falsche Berechnung der Sternenanzahl in der näheren galaktischen Umgebung

In der lokalen Gruppe von Galaxien, zu der auch der Andromeda-Nebel und unsere Milchstraße gehören, existieren rund 100 Milliarden Sterne - eigentlich müssten es aber erheblich mehr sein. Warum es in unserer näheren galaktischen Umgebung an Sternen fehlt, haben nun Physiker der Universität Bonn und der schottischen University of St. Andrews herausgefunden.

Im Universum entstehen permanent neue Sterne - in der Milchstraße sind es momentan etwa zehn pro Jahr. Diese Geburtenrate schwankt; früher lag sie teilweise um ein Vielfaches höher. Aus den Werten in der Vergangenheit lässt sich im Prinzip berechnen, wie "bevölkert" das All heute sein müsste.

Das Problem: Die Ergebnisse derartiger Kalkulationen stimmen nicht mit den tatsächlichen Beobachtungen überein. "Eigentlich müsste es viel mehr Sterne geben, als wir tatsächlich sehen", sagt der Astrophysiker Jan Pflamm-Altenburg vom Argelander-Institut für Astronomie der Uni Bonn.

Verschätzt?

Seit Jahren suchen Astronomen weltweit nach einer plausiblen Erklärung für diese Diskrepanz. Zusammen mit Carsten Weidner von der schottischen St. Andrews University scheinen Pflamm-Altenburg und der Bonner Astrophysiker Pavel Kroupa nun des Rätsels Lösung gefunden zu haben: Vermutlich hat man die Geburtenrate bislang einfach zu hoch eingeschätzt. Ganz so simpel, wie sich diese Antwort anhört, ist sie aber nicht: Der Schätzfehler schlägt nämlich wohl nur in Zeiten besonders hoher Sternenproduktion zu.

Der Grund dafür liegt in der Art und Weise, wie Astronomen die Geburtenrate berechnen. "Für das lokale Universum - also die Milchstraße als unsere Heimat sowie die Galaxien in ihrer Nähe - ist das relativ einfach", erklärt Kroupa. "Hier ist man in der Lage, mit Hilfe von Riesenteleskopen die jungen Sterne abzuzählen."

Das Problem dabei: Diese Methode funktioniert nur für unsere nächste Umgebung. Viele Galaxien sind dagegen so weit entfernt, dass selbst das beste Teleskop kleinere Sterne in ihnen einfach nicht ausdmachen kann. Glücklicherweise ist aber unter den Neuankömmlingen am Firmament hin und wieder ein besonders großer Brocken. Auch wenn man ihn nicht direkt als individuellen Stern entdecken kann, hinterlässt er selbst im Licht extrem weit entfernter Galaxien noch seine Spur. Die Anzahl dieser Riesen bestimmt dabei die Stärke dieser Spur.

In unserer näheren Umgebung treten diese großen Sterne mit einer festen Wahrscheinlichkeit auf: Auf ein "dickes" Sternenkind kommen stets etwa 300 Leichtgewichte. Dieses Zahlenverhältnis schien bislang universell. Daher reichte es den Astronomen bei weiter entfernten Galaxien aus, die Zahl der großen Brocken zu kennen: Durch Multiplikation mit dem Faktor 300 ließ sich daraus ja ganz einfach die Gesamtzahl der neugeborenen Sterne bestimmen.

Mehr Schwergewicht als gedacht

Seit kurzem zweifeln jedoch einige Bonner Astronomen um Kroupa dieses feste Zahlenverhältnis an. Ihre Idee: Zu Zeiten, in denen in den galaktischen Kreißsälen Hochkonjunktur herrscht, kommen dort deutlich mehr Schwergewichte zur Welt als normal. Ursache ist nach dieser Theorie das so genannte "stellar crowding". Sterne sind nämlich keine Einzelkinder, sondern kommen in Gruppen zur Welt, als so genannte Sternhaufen. Diese Haufen sind bei ihrer Geburt immer ähnlich groß - ganz egal, ob sie nun 100 Sternenembryos enthalten oder aber 100.000.

In Sternhaufen kann also in Zeiten einer hohen Geburtenrate ein ganz schönes Gedränge herrschen. Astronomen bezeichnen besonders massereiche Haufen auch als "ultrakompakte Zwerggalaxien", abgekürzt UCDs. In ihnen ist die Enge so groß, dass die jungen Sterne im Laufe ihrer Entstehung teilweise verschmelzen. Es entstehen also mehr massereiche Sterne als normal.

Das Verhältnis "klein zu groß" liegt dann also beispielsweise nur noch bei 50 zu 1. "Anders gesagt: In den UCDs wurde die Zahl der neu entstandenen kleinen Sterne bislang bei weitem zu hoch eingeschätzt", erklärt Carsten Weidner.

Die Forscher aus Bonn und St. Andrews haben die Geburtenraten nun nach den Vorhersagen der "stellar crowding"-Theorie korrigiert, wie sie in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society darlegen. Mit ermutigendem Ergebnis: Sie kamen dadurch tatsächlich auf die Sternenzahl, die man heute sieht. (red)


Abstract
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Top-heavy integrated galactic stellar initial mass functions (IGIMFs) in starbursts

  • In besonders dichten Sternhaufen - hier M13 im Sternbild Herkules - herrscht ein dertiges Gedränge, dass junge Sterne im Laufe ihrer Entstehung teilweise verschmelzen.
    foto: tom bash and john fox/adam block/noao/aura/nsf

    In besonders dichten Sternhaufen - hier M13 im Sternbild Herkules - herrscht ein dertiges Gedränge, dass junge Sterne im Laufe ihrer Entstehung teilweise verschmelzen.

  • In "leichten" Sternhaufen beeinflussen sich die vergleichsweise wenigen entstehenden Sterne nicht gegenseitig. In "schweren" Sternhaufen dagegen verschmelzen sie aufgrund des Gedränges miteinander und es entstehen häufig besonders massereiche Sterne - das Zahlenverhältnis "schwer zu leicht" verschiebt sich.
    grafik: jan pflamm-altenburg, argelander-institut der universität bonn

    In "leichten" Sternhaufen beeinflussen sich die vergleichsweise wenigen entstehenden Sterne nicht gegenseitig. In "schweren" Sternhaufen dagegen verschmelzen sie aufgrund des Gedränges miteinander und es entstehen häufig besonders massereiche Sterne - das Zahlenverhältnis "schwer zu leicht" verschiebt sich.

  • In Zeiten mit einer hohen Sternentstehungsrate bilden sich besonders häufig "schwere" Sternhaufen mit mehr als einer Million Sonnenmassen. Darin entstehen wiederum häufig besonders massereiche Sterne. Die Folge: Bei hoher Sternenproduktion verschiebt sich das Zahlenverhältnis "schwer zu leicht" in Richtung "schwere Sterne".
    grafik: jan pflamm-altenburg, argelander-institut der universität bonn

    In Zeiten mit einer hohen Sternentstehungsrate bilden sich besonders häufig "schwere" Sternhaufen mit mehr als einer Million Sonnenmassen. Darin entstehen wiederum häufig besonders massereiche Sterne. Die Folge: Bei hoher Sternenproduktion verschiebt sich das Zahlenverhältnis "schwer zu leicht" in Richtung "schwere Sterne".

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