Hier ist die beste Zeitachse der Milchstraße. Ihr Alter mag Sie überraschen

Die genaue Chronologie der Milchstraße zu kennen, ist eines der Probleme, das Astronomen schon immer interessiert hat, ebenso wie die Entwicklung aller Galaxien. Die Ergebnisse der jüngsten Studien waren eine große Überraschung, und es geht nicht nur um das Alter der Galaxie selbst. Lesen Sie weiter und Sie werden es erfahren:

warum ist es so schwierig, das Alter der Milchstraße sowie einzelner Sterne zu bestimmen,
Welche Werkzeuge verwenden Astronomen, um das Alter zu schätzen?
warum Entfernungsmessungen für die Altersschätzung so wichtig sind
wie die genaueste Weltraumdatenbank PESEL erstellt wurde,
was uns das Alter der Sterne über die Entwicklung der Milchstraße verrät und warum es überraschend kam.

Das Alter der Milchstraße ist nicht so offensichtlich

In der Wissenschaft ist das Problematischste für den Normalbürger nicht die Verwendung von Fakten und bekannten Zahlen, sondern deren logische und korrekte Begründung. Unsere Sonne ist 4,5 Milliarden Jahre alt, aber dieses Alter, das hauptsächlich durch Analysen der ältesten gefundenen Meteoriten bestimmt wurde, bedeutet nicht, dass die Milchstraße so alt ist.

Tatsächlich ist die Sonne ein Stern, der später in der Periode der Existenz der Galaxie aus Materie entstanden ist, die bereits von massiven und nicht mehr existierenden Sternen „verdaut“ wurde. Die Milchstraße ist älter als die Sonne. Die Frage ist, wie viel älter es ist und wie Astronomen es genau bestimmen können. Wir können dies beurteilen, indem wir das Alter entfernter Sterne bestimmen.

Die Sonne und ihre Position in der Galaxie. Das Zentrum der Milchstraße ist etwa 26.000 Lichtjahre entfernt.

Warum ist es schwierig, das Alter eines durchschnittlichen Stars zu beurteilen? Und wie gehen wir damit um?

Die meisten Einzelsterne sind Objekte, die sich im Standardstadium der Evolution befinden. Dieses Stadium macht oft mehr als 90 % ihres Lebens aus, eine Zeit, in der sich die Eigenschaften von Sternen nicht wesentlich ändern. Mit anderen Worten, ein junger Stern kann Astronomen als ein Stern erscheinen, der kurz vor dem Ruhestand steht.

Wir lösen dieses Problem, indem wir nicht einzelne Sterne, sondern ihre Haufen beobachten. Dies sind Gruppen von Objekten, die gleichzeitig erstellt wurden. Dann liefert eine statistische Analyse vieler Sterne, die in evolutionär fortgeschrittene Sterne und Alter unterteilt werden können, genauere Schätzungen für den Rest der Sterne.

Welche Werkzeuge verwenden Astronomen, um das Alter von Sternen zu messen?

Eine sonnenähnliche Methode kommt nicht in Frage, weil wir Materie aus fernen Sternensystemen nicht untersuchen können. Das mag überraschen, aber nur bei der Sonne können wir das Alter mit hoher Sicherheit bestimmen.

Bei anderen Sternen sprechen wir über das Wissen, das durch Beobachtung in Teleskopen gewonnen wird, indem diese Daten mit theoretischen Modellen kombiniert werden, die die Entwicklung von Sternen mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung und Masse beschreiben. Aus solchen Modellen können wir auch ableiten, wie lange unsere Sonne noch existieren wird.

Und ja, wir können die Temperatur eines Sterns (das liegt an seiner Farbe) und seine Helligkeit bestimmen und dann in das sogenannte HR (Hertzsprung-Russell)-Diagramm eintragen. Jeder Stern in einem solchen Diagramm folgt einem Evolutionspfad, sodass Sie anhand seiner Position beurteilen können, in welcher Lebensphase er sich befindet. Bei gewöhnlichen Sternen ist dies noch eine ungenaue Schätzung. Nur für alte Sterne wird der Altersschätzungsfehler unbedeutend, da die späteren Entwicklungsstadien auf der kosmischen Zeitskala sehr kurz dauern.

Allgemeines HR-Diagramm, das den Sonnenstand zeigt. Die Hauptsequenz sind die Positionen von Sternen in einem grundlegenden Entwicklungsstadium.

Astronomen machen auch Beobachtungen über die Rotationsgeschwindigkeit von Sternen, Beobachtungen von kleinen Änderungen in der Helligkeit von Sternen, die ein Hinweis darauf sind, was in ihnen vor sich geht, und gleichzeitig mit dem Alter in Verbindung gebracht werden. Zweifel an der Richtigkeit dieser und anderer Methoden kommen jedoch immer noch auf, wenn Objekte beobachtet werden, die sich den allgemein akzeptierten Modellen entziehen. Auch unsere Sonne bringt solche Überraschungen.

Hier können auch Beobachtungen von extrasolaren Planetensystemen hilfreich sein. Es geht nicht nur darum, eine zweite Erde zu finden oder die Planetenstatistik zu erhöhen. Aber auch, um aus diesen Beobachtungen neue Erkenntnisse darüber abzuleiten, wie die aktuell beobachteten Eigenschaften von Sternen mit ihrem Alter zusammenhängen sollten. Im Fall der Galaxie sind die Entfernungen so gering, dass die mit der endlichen Lichtgeschwindigkeit verbundene Verzögerung keine Rolle spielt.

Entfernungen zu den Sternen. Hier ist es wichtig, sie richtig zu definieren.

Theoretische Modelle, wie sich ein Stern verhalten und verschiedene Stadien seiner Entwicklung betrachten sollte, werden immer perfekter. Schnelle Computer und viel Speicher erleichtern das Lösen verschiedener evolutionärer Rätsel unter Berücksichtigung einer zunehmenden Anzahl von Parametern, was sehr wichtig ist, wenn wir ein bestimmtes Modell der Entwicklung eines Sterns mit einer bestimmten Masse verfeinern möchten und Zusammensetzung.

Unabhängig davon, wie genau diese Modelle sind, erfordert ihre korrekte Anwendung auf bestimmte Sterne (Gruppen von Sternen) eine gute Kenntnis ihrer Entfernungen. Ja, Astronomen zeichnen die Spektren von Sternen auf, ihre Helligkeit bei verschiedenen Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung, aber das sind beobachtete Werte. Mit anderen Worten, es kommt auf die Entfernung an. Wir werden die Leistung einer Glühbirne nicht abschätzen können, indem wir nur ihre Helligkeit an einem ausgewählten Ort messen. Sie müssen wissen, wie weit die Lampe vom Messpunkt entfernt ist. In diesem Fall ist die Glühbirne ein Stern.

Astronomen benötigen ein absolutes Maß für die Helligkeit eines Sterns, wobei sowohl die beobachtete Helligkeit als auch die Entfernung berücksichtigt werden müssen. Wird die Entfernung falsch bestimmt, wird die tatsächliche Helligkeit des Sterns falsch eingeschätzt. Dies bedeutet, dass wir es fälschlicherweise mit bestehenden Modellen korrelieren und eine falsche Altersschätzung erhalten. Dies wird in der Tat zu einem Fehler bei der Schätzung des Alters unserer Galaxie führen. Vorausgesetzt natürlich, dass sich die Sterne etwa zur gleichen Zeit wie die Milchstraße zu bilden begannen.

Solche Fehler können bei intergalaktischen Beobachtungen auch in größerem Maßstab von Bedeutung sein, sind aber auch ein anderes Thema als das Galaxienalter.

Die Quelle der besten Daten über die Entfernungen zu Sternen ist heute. ..

… Beobachtungen, die vom Gaia-Weltraumteleskop gesammelt wurden. Seit 2014 beschäftigt er sich mit präzisen astrometrischen Messungen, also der Positionsbestimmung der Sterne am Himmel. Auch Sterne, deren Parallaxe sich aus diesen Daten ableiten lässt (die Position eines Sterns relativ zu anderen, weiter entfernten ist abhängig von dem Ort, von dem aus wir ihn beobachten, und Gaia verändert seine Position im Laufe des Jahres), können auch eine genau definierte Entfernung haben. Wie wir bereits wissen, sind dies die Schlüsseldaten, um die Helligkeit von Sternen genau zu bestimmen, was für eine korrekte Altersschätzung erforderlich ist.

Himmelskarte, die die Position von Objekten zeigt, die vom Gaia-Teleskop beobachtet wurden.

Wir haben derzeit eine 3 frühe Version des Gaia-Beobachtungsdatensatzes. Es enthält bereits Daten für 1,8 Milliarden Objekte, darunter die genaue Position von fast 1,5 Milliarden. Die meisten von ihnen sind Prominente.

Die Altersschätzung von 250.000 Unterriesen ist die Grundlage für die Altersschätzung der Milchstraße.

Daten des Gaia-Teleskops, kombiniert mit genauen Beobachtungen der chemischen Zusammensetzung und Evolutionsmodellen, haben die bisher genaueste Schätzung des Alters von etwa 250.000 Sternen geliefert.

Mit dem LAMOST-Teleskop (Chinas Large Sky Multipurpose Fiber Optic Telescope) wurden spektroskopische Beobachtungen gesammelt, die die Struktur von Sternen enthüllten (einschließlich der Häufigkeit von Metallen, die schwerer als Helium sind). Dies ist ein optisches Teleskop mit einem segmentierten Spiegel von 5,7 x 4,4 Metern. Obwohl sich das Instrument in China befindet, sind auch Astronomen aus anderen Ländern an Beobachtungsprojekten beteiligt, die damit durchgeführt werden.

Auch Stars mit Altersfreigabe sind nicht die ersten Topstars. Das sind die sogenannten Unterriesen oder Sterne, die gerade ihre wichtigste und längste Existenzphase hinter sich haben. Sie sind in ein relativ kurzes Stadium eingetreten, in dem sich der Stern in einen roten Riesen verwandelt. So wird es auch in Zukunft mit der Sonne sein.

Bei solchen Sternen ergeben übereinstimmende Beobachtungen der chemischen Zusammensetzung und exakten Helligkeit (unter Berücksichtigung der Entfernung) mit theoretischen Modellen einen relativ kleinen Fehler bei der Altersschätzung. Das sind immer noch ein paar Prozent, aber immer noch viel weniger als früher, als Gaia-Daten nicht verfügbar waren.

Chronologie der Entstehung der Galaxie aus dem Zeitalter einzelner Sterne. Wie ist das möglich?

Eine Viertelmillion Sterne mit ziemlich genauem Alter befinden sich in mehr als einer Region der Milchstraße. Einige von ihnen gehören zum sogenannten Halo oder der kugelförmigen Hülle, die die Scheibe und den zentralen Teil unserer Galaxie bedeckt.

Das aktuelle Modell der Struktur der Galaxy. Gezeigt ist eine Seitenansicht, also in der Ebene der galaktischen Scheibe. Die Ausbuchtung ist die Ausbuchtung im Zentrum der Galaxie. Eine dicke Scheibe ist etwa 6.000 Lichtjahre dick, während eine dünne Scheibe etwa 2.000 Lichtjahre dick ist (je weiter vom Zentrum entfernt, desto dünner ist sie)

Der Rest befindet sich entweder in der sogenannten dünnen galaktischen Scheibe, der Scheibenstruktur der Galaxie, die am weitesten vom Zentrum entfernt ist, oder in der dicken Scheibe. Die dicke Scheibe wiederum ist Teil der Scheibenstruktur der Galaxie näher an ihren zentralen Teilen. In der Nähe der Sonne, die bereits weit vom Zentrum der Galaxie entfernt ist, gehören die meisten Sterne zu einer dünnen Scheibe.

Die ältesten zentralen Teile der Milchstraße sind 13 Milliarden Jahre alt

Durch die genaue Erkennung von Sternen mit bekanntem Alter in verschiedenen Teilen der Galaxie waren Astronomen in der Lage, ihr Alter (nicht das Alter der Sterne) zu beurteilen. Und dann waren sie überrascht, denn es stellte sich heraus, dass die Milchstraße in zwei charakteristischen Stadien entstanden ist und ihre ältesten zentralen Teile sogar 2 Milliarden Jahre älter sind als bisher angenommen.

In Kürze sieht es so aus:

800 Millionen Jahre nach der Entstehung des Universums oder vor 13 Milliarden Jahren begann die Bildung einer dicken Scheibe der Galaxie,
gleichzeitig bildete sich ein galaktischer Halo, aber dieser Prozess gewann erst 2 Milliarden Jahre an Fahrt, nachdem die junge Milchstraße die begleitende Zwerggalaxie Gaia-Sausage-Enceladus „verschluckt“ hatte,
Die Bildung einer dünnen Scheibe ist die zweite Phase in der Entstehung einer modernen Galaxie nach dem Abbau großer Mengen interstellaren Gases in einer dicken Scheibe vor etwa 8 Milliarden Jahren.
Derzeit ist die Sternentstehung in der dünnen Scheibe viel langsamer als in den frühen Tagen unserer Galaxie.

Übrigens wurde bei Objekten, die während dieser ersten Phase der Entstehung der Galaxis entstanden sind, eine enge Beziehung zwischen dem Alter der Sterne und ihrer Metallizität entdeckt. Das ist die größte Überraschung, denn bisher glaubte man, dass die Metallizität auch von der Position der Sterne in der dicken Scheibe abhängt und nicht nur vom Alter der Bevölkerung.

Gaia-Daten haben zu vielen wichtigen Entdeckungen geführt.

Wir sind wieder einmal von der wichtigen Rolle überzeugt, die Massendurchmusterungen des Himmels und die darauf aufbauenden Sternenkataloge spielen. Die Erstellung solcher Datenbanken, die nicht nur Entfernung, Helligkeit und Farbe, sondern auch die Position und Eigenbewegung von Sternen beinhalten, ist ein ziemlich langwieriger Prozess, an dem Hunderte von Spezialisten beteiligt sind. Sie prüfen die von Gaia gesammelten Daten sorgfältig und übersetzen sie in verständliche Sprache für andere Astronomen, die dann in der Gaia-Datenbank graben.

Diese Datenbasis wird durch nachfolgende Beobachtungen schrittweise verfeinert. Die neuste Version des Gaia-Katalogs, die sogenannte 3rd Edition, wird Mitte Juni dieses Jahres erwartet. Dadurch wird ein noch genaueres dreidimensionales Modell der nächsten Umgebung unserer Galaxie erstellt.

Und wenn man bedenkt, dass Astronomen noch vor 100 Jahren entfernte Galaxien als Nebel innerhalb der Milchstraße betrachteten. Diese Ansicht wurde 1924 von Edwin Hubble modifiziert, dessen Beobachtungen die enormen Entfernungen zu anderen Galaxien bestätigten. Diese Entdeckung veränderte gleichzeitig den Status der Milchstraße, die von einem besonderen Objekt, das einst mit dem gesamten Universum identifiziert wurde, zu einem von Billionen ähnlicher Objekte wurde.

Quelle: MPG, Inf. eigenes, vorderes Foto: Stefan Payne-Wardenaar / MPIA