Ein atemberaubendes Bild der jungen Sterne von Westerlund 1, gesehen vom JWST (Bildnachweis: NASA/ MIRI/ NIRCam/ Giuseppe, et al 2024/ EWOCS)
Mit dem James Webb Weltraumteleskop haben Astronomen einen hochinteressanten und massereichen jungen Sternhaufen in der Milchstraße unter die Lupe genommen. Er trägt den Namen Westerlund 1 und ist mit einer Entfernung von etwa 12.000 Lichtjahren von der Erde der uns am nächsten gelegene supermassive Sternhaufen.
Supermassive Sternhaufen wie Westerlund 1 sind Ansammlungen von Sternen, deren Masse der von Zehntausenden von Sonnen entspricht. In diesen Superhaufen sind die Prozesse, die die Sternentstehung begünstigen und die Geburt von Sternen und Planeten fördern, äußerst effizient.
Mit einer Ausdehnung von mehr als 6,6 Lichtjahren hat Westerlund 1 die Masse von etwa 63.000 Sonnen. Westerlund 1 beherbergt die größte und kompakteste Population von Monstersternen in der Milchstraße mit Hunderten von sehr massereichen Sternen auf relativ kleinem Raum und ist ein verlockendes Ziel für Astronomen, die eine Reihe von stellaren Phänomenen und die Entwicklung von Planetensystemen besser verstehen wollen.
Das neue Bild und die damit verbundenen Erkenntnisse über Westerlund 1 wurden von der erweiterten Durchmusterung der offenen Sternhaufen Westerlund 1 und 2 (EWOCS) geliefert.
„Wir haben unsere Nachweisgrenze bis zu den Braunen Zwergen des Haufens, den kleinsten Sternen, die sich bilden können, verschoben!“ sagt EWOCS-Teamleiter Mario Giuseppe vom Palermo Astronomical Observatory in Italien gegenüber kosmischeweiten.de. „So werden wir in der Lage sein, den wahren Inhalt des Haufens zu bestimmen und Eigenschaften wie die Massenverteilung seiner Sterne zu messen.“
Das James Webb Weltraumteleskop (JWST) bietet auch detaillierte und tiefe Beobachtungen im infraroten Wellenlängenbereich, mit denen junge Sterne, die noch von protoplanetaren Scheiben umgeben sind, sichtbar gemacht werden können.
„Diese könnten gerade jetzt Planeten bilden“, so Giuseppe weiter. „All dies wird es uns zum ersten Mal ermöglichen, die Auswirkungen der Starburst-Umgebung auf die Produkte der Sternentstehung und den Prozess der Planetenbildung zu bestimmen.“
Westerlund 1 ist ein Wunderland für Astronomen
EWOCS arbeitet nicht nur mit Beobachtungen des JWST, sondern auch mit Daten des Hubble-Weltraumteleskops, des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), des Chandra-Röntgenteleskops der NASA und anderen, um Westerlund 1 und den etwas kleineren Superhaufen Westerlund 2 zu untersuchen.
„Westerlund 1 beherbergt die größte und kompakteste Population massereicher Sterne, die wir in der Galaxie kennen, mit Hunderten von sehr massereichen Sternen auf engstem Raum, die sich fast alle in engen Doppelsternsystemen befinden“, so Giuseppe. „In solchen Fällen wird die Umgebung der Sternentstehung von energiereicher Strahlung [UV- und Röntgenstrahlung] und schnellen, hochenergetischen Teilchen dominiert, die die Stern- und Planetenbildung steuern.“
Eine Reihe unterschiedlicher Bedingungen in Galaxien kann die Geschwindigkeit der Sternentstehung bestimmen. Beispielsweise können Epochen intensiver Sternentstehung, so genannte „Starburst-Perioden“, ausgelöst werden, wenn Galaxien kollidieren und einen Zustrom von Gas und Staub verursachen, die die Bausteine neuer Sterne sind. „In diesen Fällen nimmt die typische Sternentstehungsumgebung die Form sehr massereicher und supermassereicher Sternentstehungsregionen an“, so Giuseppe, „solche Fälle waren im frühen und turbulenten Universum häufiger, als galaktische Kollisionen wahrscheinlicher waren. In der Milchstraße sind die Entstehungsraten gedämpft, weil es sich um eine „moderne“ Galaxie handelt, was bedeutet, dass es nur wenige Starburst-Regionen gibt.
„Die Milchstraße beherbergt heute nur wenige supermassive Haufen, von denen weniger als zehn bekannt sind“, so Giuseppe weiter. „Diese wenigen Regionen sind von entscheidender Bedeutung, weil sie es uns ermöglichen, die Stern- und Planetenbildungsbedingungen zu untersuchen, die für Starburst-Galaxien im frühen Universum typisch sind, und unser Wissen über die Stern- und Planetenbildung auf die extremsten und energiereichsten Sternbildungsumgebungen auszudehnen, die wir kennen“, so Giuseppe.
Westerlund 1, gesehen vom Hubble-Weltraumteleskop (Bildnachweis: ESA/Hubble & NASA)
Superhaufen werden oft von Gas- und Staubwolken zwischen den Sternen in der Milchstraße verdeckt und sind normalerweise in dichten Sternfeldern verborgen. Das bedeutet, dass für die Untersuchung dieser Orte intensiver Sternentstehung, insbesondere bei der Untersuchung von Sternen mit geringerer Masse in der Region, ein leistungsfähiges Teleskop mit einem großen Lichtsammelbereich erforderlich ist, das infrarotes Licht einfangen kann, das, wie bereits kurz erwähnt, durch dichte Wolken aus interstellarer Materie hindurchschlüpfen kann. Das sichtbare Licht kann das nicht.
Deshalb wandte sich das EWOCS-Team an das JWST und seine wichtigsten Instrumente, das Mid-Infrared Instrument (MIRI) und die Near-Infrared Camera (NIRCam). Obwohl Westerlund 1 bereits von vielen anderen Teleskopen, einschließlich Hubble, untersucht wurde, lieferte das JWST Giuseppe und seinen Kollegen doch einige unerwartete Ergebnisse.
„Die größten Überraschungen lieferten die MIRI-Bilder, die einen dichten und strukturierten Nebel [Gas und Staub] rund um und innerhalb des Haufens enthüllten“, so der Forscher. „Ein solcher Nebel kann kaum ein Überbleibsel der elterlichen Wolke sein, aus der sich der Haufen vor etwa 5 Millionen Jahren gebildet hat.“
Eine protoplanetare Scheibe um den jungen Stern PDS 70, aufgenommen mit ALMA (Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.)
Das liegt daran, dass junge Sternhaufen mit einer mäßigen Population massereicher Sterne im Laufe von weniger als einer Million Jahren große Hohlräume in ihren Wolken bilden.
„Westerlund 1 beherbergt die massereichste Sternpopulation, die in einem galaktischen Haufen bekannt ist, und er ist mindestens 5 Millionen Jahre alt, also sollte er alle seine Wolken bereinigt haben“, sagte Giuseppe. „Wir glauben, dass wir auf den MIRI-Bildern die Anhäufung von Material innerhalb des Haufens beobachten können, das aus dem Gas und dem Staub stammt, die von den massereichsten Sternen des Haufens in den letzten Phasen ihrer Entwicklung ausgestoßen werden, sowie die Wechselwirkung zwischen den Winden, die von verschiedenen Arten massereicher Sterne erzeugt werden.“
Giuseppe fügte hinzu, dass die MIRI-Bilder auch merkwürdige Ausströmungen und Hüllen um die am weitesten entwickelten massereichen Sterne in Westerlund 1 enthüllten.
„In den nächsten zwei bis drei Jahren werden wir den Großteil der wissenschaftlichen Ergebnisse von EWOCS veröffentlichen“, sagte Giuseppe. Der Forscher erklärte, dass die nächste Veröffentlichung eine Studie des heißen Gases innerhalb des Sternhaufens sein wird, die mit Hilfe der diffusen Röntgenemission untersucht wird.
Das EWOCS-Team wird dann eine Analyse der Hochenergiephänomene in einigen der kompakten Objekte in Westerlund 1 veröffentlichen und die Massenverteilung der massearmen Sterne im Haufen berechnen. Die Forscher beabsichtigen auch, die scheibentragende Population des Haufens zu analysieren und eine Untersuchung der Ausströmungen um die am weitesten entwickelten Sterne in der Region, nämlich rote Überriesen und gelbe Hyperriesen, durchzuführen.
„Um nur einige zu nennen. All diese Studien werden nicht nur dank JWST möglich sein, sondern auch dank anderer großartiger Observatorien wie Chandra im Röntgenbereich, ALMA und Hubble“, so Giuseppe abschließend. „Außerdem ist die Analyse der Beobachtungen von Westerlund 2, einem etwas weniger massereichen, aber jüngeren Sternhaufen als Westerlund 1, in einem guten Stadium, und wir werden diese Ergebnisse bald veröffentlichen.“
Die Forschungsarbeit des Teams wurde zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics angenommen und ist als Preprint auf der Repository-Website arXiv verfügbar.
