Metallarmer Kugelsternhaufen zwingt Astronomen, Theorien zu überdenken

Großes Sternoval mit einer Einlage einer Sternenkugel.

Ein internationales Wissenschaftlerteam machte eine ungewöhnliche Entdeckung, als es die zusätzliche Beobachtungszeit am Keck-Observatorium auf Hawaii nutzte, um einen schnellen Blick auf einen massiven Kugelsternhaufen in der benachbarten Galaxie, der Andromeda-Galaxie, zu werfen. Der Cluster heißt RBC EXT8. Beobachtungen haben ergeben, dass es die meisten sindmetallarmbisher beobachteter Kugelsternhaufen; das heißt, es fehlen die „schwereren“ oder komplexeren Elemente, die innerhalb von Sternen hergestellt werden, während sie sich durch ihren Lebenszyklus bewegen. Bild über ESASky und CFHT/Astronomie.nl.


Letzte Woche (15. Oktober 2020) ein internationales Wissenschaftlerteamveröffentlichtein Papier in derpeer-reviewedTagebuchWissenschaft, die die Entdeckung der meisten ankündigtmetallarmbisher aufgezeichneten Kugelsternhaufen.Kugelsternhaufensind riesige, symmetrische Sternhaufen imschon fastvon Galaxien. Und wenn Astronomen von „Metallen“ sprechen, sprechen sie nicht von einem harten, glänzenden, festen Material. Sie sprechen von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Eisen und Magnesium – alle Elemente, die in Sternen geboren wurden – außer Wasserstoff und Helium, die in den Sternen geboren wurdenUrknall. Der neu entdeckte metallarme Kugelsternhaufen hing in M31, alias theAndromeda-Galaxie, die große Spiralgalaxie neben unserer Milchstraße. Die zufällige Entdeckung dieses „anämischen“ Kugelsternhaufens, wie ihn die Astronomen nennen, hat die anerkannte Theorie über die Entstehung von Galaxien auf den Kopf gestellt. Es hat auch Fragen darüber aufgeworfen, wie und wo Kugelsternhaufen gebildet werden.

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Laut der neuen Studie ist der massive KugelsternhaufenRBC EXT8beherbergt Sterne, die 800-mal weniger Metalle – weniger schwerere Elemente – enthalten, als in unserer eigenen Sonne zu finden sind. Der Cluster enthält dreimal weniger Metalle als der bisherige niedrige Rekord für Kugelsternhaufen.

RBC EXT8 wurde zuvor von Wissenschaftlern übersehen oder ignoriert, weil es die meisten der erwarteten Eigenschaften ähnlicher massiver Kugelsternhaufen aufweist. Er wiegt etwa eine Million Mal mehr als unsere Sonne, was darauf hindeutet, dass er etwa eine Million Sterne beherbergt und – wie seine Geschwisterhaufen in der Andromeda-GalaxieHeiligenschein– Es wird angenommen, dass es sich früh in der Geschichte der Galaxie gebildet hat. Tatsächlich gelten die Sterne in Kugelsternhaufen typischerweise als die ältesten Bewohner einer Galaxie. Trotz der traditionellen Kennzeichen ist der metallarme Zustand von RBC EXT8 eine deutliche Abweichung von anderen Kugelsternhaufen, sogar von denen, die bereits als metallarm bekannt sind.

Der Fund vereitelt die wissenschaftliche Theorie über die Entstehung von Galaxien und lässt die Wissenschaftler hinterfragen, was sie die nennenMetallic-Boden, oder niedrigste Menge an Metallen, die in einem Kugelsternhaufen für möglich gehalten werden.

Lächelnder, dunkelhaariger junger Mann mit Bergen in der Ferne.

AstronomSøren Larsenvon der Radboud University in den Niederlanden leitete das Forschungsteam, das RBC EXT8 als anämisch oder metallarm entdeckte. Bild überAnton Pannekoek Institut für Astronomie


Søren Larsen, Astronom an der Radboud University in Nijmegen, Niederlande, ist Hauptautor der Forschung. Er sagte in aStellungnahme:

Unser Ergebnis zeigt, dass sich im frühen Universum aus Gas mit nur einer kleinen „Besprengung“ anderer Elemente als Wasserstoff und Helium massive Kugelsternhaufen bilden konnten. Dies ist überraschend, da man annahm, dass solch reines Gas in Bausteinen zu klein ist, um so massereiche Sternhaufen zu bilden.

Wenn er hier von „Bausteinen“ spricht, spricht er vonProtogalaxien, manchmal auch als 'Urgalaxien' bezeichnet, im Wesentlichen nur eine Gaswolke im Weltraum, die dabei ist, eine Galaxie zu bilden. Larsen sagte gegenüber ForVM, dass die Entdeckung eines metallarmen Kugelsternhaufens in der Andromeda-Galaxie kurzfristig bedeutet, dass die wissenschaftliche Theorie über die Entstehung von Galaxien möglicherweise eine oder zwei Überarbeitungen benötigt. Er sagte:

Es wird angenommen, dass große Galaxien wie unsere Milchstraße oder [die Andromeda-Galaxie] aus kleineren Protogalaxien aufgebaut wurden. Es besteht ein Zusammenhang zwischen den Massen von Protogalaxien und ihren Metallizitäten. Das heißt, große Galaxien enthalten mehr Metalle [Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium]. Die metallärmsten Sterne und Sternhaufen [die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehen] sollten sich also in den kleinsten Protogalaxien gebildet haben.


Um einen so metallarmen Haufen wie RBC EXT8 zu bilden, bräuchte man eine sehr kleine Protogalaxie, zu klein, um einen so massereichen Kugelsternhaufen nach aktuellen Theorien zur Galaxienentstehung zu bilden.

Vielleicht muss also etwas in diesen Theorien überarbeitet oder angepasst werden.

Was Wissenschaftler bei Beobachtungen bei . sahenKeck-Observatoriumin Hawaii veranlasste sie auch, ihr Verständnis von Kugelsternhaufen zu überdenken. Er sagte:

Je nachdem, wen Sie fragen, sind einige der metallärmsten Kugelsternhaufen in der MilchstraßeUnordentlicher 15undESO 280-SC06, mit etwa 200 bis 300 Mal weniger Metallen – Eisen – als unsere Sonne. RBC EXT8 drückt diese Grenze nun auf etwa ein Drittel des bisher als Tiefststand geltenden Wertes.


Dies ist wichtig, weil wir dachten, wir hätten einige vernünftige Erklärungen dafür, warum Kugelsternhaufen nicht metallärmer sein könnten als die vorherigen Rekordhalter. Diese Erklärungen müssen möglicherweise noch einmal überdacht werden; wir müssen nun versuchen zu verstehen, wie es möglich ist, dass sich ein solcher metallarmer Kugelsternhaufen bildet.

Zwei Liniendiagramme mit steilen Abwärtskurven, die linke mit einer und die rechte mit vier.

Spektren – d. h. Sternenlicht, das in seine Komponentenfarben aufgespalten ist – werden von Wissenschaftlern bei der Untersuchung von RBC EXT8 verwendet, um Mängel in diesem Kugelsternhaufen im Vergleich zu einem anderen Kugelsternhaufen, Messier 15, zu verstehen. Wissenschaftler berichten, dass in dieser Grafik die besten -passende Modelle sind mit dicken schwarzen Linien (für RBC EXT8) und gestrichelten Linien für M15 dargestellt. Bild überLarsenet al.

Eine dritte Überraschung erlebten die Wissenschaftler bei spektroskopischen Beobachtungen des Clusters mit KecksHochauflösendes Echelle-Spektrometer(HIRES) zeigte nicht das erwartete Gleichgewicht von Eisen und Magnesium. Die Mehrheit dessen, was Astronomen die nennenAlpha-Elemente– Silizium, Kalzium, Titan – mangelte es im Cluster um den Faktor 400, eine Zahl, die Larsen sagte, sei aufgrund von Beobachtungen anderer Kugelsternhaufen zu erwarten, aber Magnesium – ebenfalls ein Alpha-Element – ​​erzählte eine ganz andere Geschichte.

Magnesium ist in diesem Cluster noch mangelhafter als Eisen. Sterne in RBC EXT8 haben etwa 1.600 Mal weniger Magnesium als die Sonne. Dies ist ziemlich rätselhaft, denn Magnesium gehört zu einer Klasse von Elementen – den Alpha-Elementen – die in Kugelsternhaufen normalerweise weniger mangelhaft sind als Eisen. Es gibt etwas Seltsames mit Magnesium, das wir nicht ganz verstehen.

Nach aStellungnahmeVon Astronomen aus begann die seltsame Reise, die zur Entdeckung des metallarmen Kugelsternhaufens RBC EXT8 führte, im Oktober 2019 mit einer unerwarteten Stunde zusätzlicher Beobachtungszeit am Keck-Teleskop. Das internationale Wissenschaftlerteam, das aus der Ferne von der University of California Santa Cruz, mit Larsen auf Skype aus den Niederlanden – sollte Kugelsternhaufen beobachten, die mehrere nahe Galaxien umgeben. Larsen sagte, dass das, was als kurzes Warten auf das Erscheinen von Himmelsobjekten begann, den Zufall in eine Chance verwandelte.

Zu Beginn der Nacht mussten wir etwa eine Stunde warten, bis unsere Hauptziele über den Horizont steigen würden. Wir suchten nach einem anderen Ziel, um diese Stunde zu füllen, und die Wahl fiel auf diesen Haufen, RBC EXT8 in der Andromeda-Galaxie. Wir ahnten im Vorfeld nicht, dass an diesem Cluster etwas Besonderes sein würde. Wir haben ihn einfach ausgewählt, weil er in dem uns zur Verfügung stehenden Zeitfenster beobachtet werden konnte und weil er einer der hellsten Kugelsternhaufen in der Andromeda-Galaxie ist.

Dunkelhaariger bärtiger Mann, der vor einer Tafel mit mathematischen Formeln steht.

AstronomAaron Romanowskyder University of California Observatories und der San José State University war Co-Autor der Studie zu RBC EXT8. Bild überStaatliche Universität San Jose

Aaron Romanowskyder University of California Observatories in Santa Cruz und der San José State University ist Co-Autor der Studie. Er sagte, dass Funde wie RBC EXT8 Wissenschaftler daran erinnern, das Offensichtliche nie zu übersehen, da es eine wissenschaftsverändernde Überraschung enthalten könnte. Er sagte:

Ich bin erstaunt, dass dieser bemerkenswerte Sternhaufen gerade vor unserer Nase saß. Er ist einer der hellsten Haufen in der Andromeda-Galaxie und seit Jahrzehnten bekannt, doch niemand hatte ihn im Detail untersucht. Es zeigt, dass das Universum noch viele Überraschungen für uns bereithält. Es erinnert uns auch daran, unsere Annahmen zu überprüfen; in diesem Fall wurde davon ausgegangen, dass genügend Cluster untersucht wurden, um zu wissen, wie anämisch sie sein können.

Mehrere Regenbogenstreifen mit winzigen vertikalen Linien entlang ihnen.

Die Europäische Südsternwarte nannte dieses Bild „den Strichcode der Sonne“. Es ist sehr langSpektrumunserer Sonne, in kleine Stücke geschnitten und dann übereinander gelegt. Bild über NOAO/ AURA/ NSF/DAS.

Spektren, die mit dem HIRES-Spektrometer am Keck-Teleskop aufgenommen wurden, teilten die Zusammensetzung von RBC EXT8 in einen Regenbogen auf, mit Absorptionslinien – dunklen Regionen – die enthüllen, welche Elemente und wie viel davon in die Atmosphären der Sterne innerhalb des Haufens absorbiert wurden. Larsen sagte:

Jedes Atom hat seine eigenen Linien, eine Art „Fingerabdruck“, und indem wir messen, wie viel Licht in diesen Linien absorbiert wird, können wir herausfinden, wie viel Eisen, Magnesium usw. in den Sternen vorhanden ist.

Trotz vieler Enthüllungen hat die Studie den Wissenschaftlern mehr Fragen als Antworten aufgeworfen, aber Larsen und das Team sagten, sie seien der Herausforderung gewachsen. Larsen erklärte:

Diese Entdeckung ist wichtig, weil sie uns eine Möglichkeit gibt, die Theorien der Galaxienentstehung und Dinge wie die Masse-Metallizitäts-Beziehung zu überprüfen. Wir würden auch gerne wissen, ob es andere Cluster wie RBC EXT8 gibt, also müssen wir versuchen, sie zu finden.

Fazit: Die Entdeckung des bisher metallärmsten Kugelsternhaufens hat die Wissenschaftler gezwungen, die Entstehung von Galaxien und Kugelsternhaufen zu überdenken.

Quelle: Ein extrem metallarmer Kugelsternhaufen in der Andromeda-Galaxie

Über Astronomie.nl

Via Keck-Observatorium