Die uralten Sternströme Shakti (gelbe Dreiecke) und Shiva (blaue Punkte), aus denen sich die Milchstraße zusammensetzt (Bildnachweis: ESA/Gaia/DPAC/K. Malhan)
Durch die Verfolgung der Bewegungen von Milliarden von Sternen in unserer Galaxie hat das Weltraumteleskop Gaia die Geschichte der Milchstraße enträtselt – und die neuesten Ergebnisse der Raumsonde entwirren diese Geschichte auf buchstäblichere Weise als je zuvor.
Gaia hat zwei uralte Sternenströme entdeckt, die sich vor über 12 Milliarden Jahren, also weniger als 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall, miteinander verwoben zu haben scheinen. Die Sternströme sind so alt, dass sie sich wahrscheinlich schon gebildet haben, bevor die Spiralarme oder die ausgedehnte Scheibe der Milchstraße Gestalt annahmen.
Diese Ströme wurden nach den Hindu-Göttern Shakti und Shiva benannt, die sich vereinigten, um das Universum (oder den Makrokosmos) zu schaffen. Dies ist insofern passend, als diese alten Sternenströme wahrscheinlich zusammenkamen, um die Grundlage der Galaxie zu bilden, in der wir leben.
„Es ist wirklich erstaunlich, dass wir diese alten Strukturen überhaupt entdecken können“, sagte Khyati Malhan, Leiterin des Forschungsteams und Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), in einer Erklärung. „Die Milchstraße hat sich seit der Geburt dieser Sterne so stark verändert, dass wir nicht erwarten würden, sie so deutlich als Gruppe zu erkennen – aber die beispiellosen Daten, die wir von Gaia erhalten, haben dies möglich gemacht.“
Gaia-Beobachtungen ermöglichten es Malhan und Kollegen, die Bahnen einzelner Sterne in der Milchstraße zu bestimmen und ihre Zusammensetzung zu ermitteln.
„Als wir die Bahnen all dieser Sterne visualisierten, stachen zwei neue Strukturen unter den Sternen mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung hervor“, so Malhan weiter. „Wir haben sie Shakti und Shiva genannt.“
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Shakti und Shiva, Fäden im Gewebe der Milchstraße
Im Jahr 2022 untersuchte Gaia die innere Region der Milchstraße und entdeckte, dass sie mit den ältesten Sternen unserer Galaxie gefüllt war. Als Fortsetzung dieses galaktischen Archäologieprojekts hat die neue Studie nun enthüllt, wie diese alten Sterne verteilt sind, und sie als eindeutige Fragmente gekennzeichnet, die mit der jungen Milchstraße verschmolzen, lange bevor sie die Form einer Spiralgalaxie annahm.
So wie wir sie heute sehen, sind sowohl Shakti als auch Shiva als „protogalaktische Fragmente“ bekannt, die in der Nähe des Herzens der Milchstraße liegen; beide haben ähnliche Umlaufbahnen um diese zentrale Region. Jeder Strom enthält eine Masse von etwa 10 Millionen Sonnen, wobei die Sterne, aus denen diese Masse besteht, vermutlich zwischen 12 und 13 Milliarden Jahre alt sind.
Ein Diagramm zeigt die Anatomie der Milchstraße, wobei die zentrale Ausbuchtung, in der sich die alten Sterne befinden, eingezeichnet ist. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech; rechts: ESA; Layout: ESA/ATG medialab)
Sterne führen während ihres gesamten Lebens in ihren Kernen eine Kernfusion durch, bei der sie Wasserstoff in Helium umwandeln und Helium zu schwereren Elementen fusionieren, die Astronomen als Metalle bezeichnen. Die erste Generation von Sternen wurde geboren, als das Universum hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestand, daher fehlen ihnen diese Metalle in großen Konzentrationen.
Als diese erste Generation von Sternen jedoch starb und in Supernovas explodierte, verteilten sie die Elemente, die sie geschmiedet hatten, über den gesamten Kosmos. Diese Metalle fanden sich schließlich in der zweiten Generation von Sternen wieder, die somit metallreicher war als die erste Generation. Dieser Prozess des Lebens, Sterbens und der Wiedergeburt von Sternen hat sich fortgesetzt und ermöglicht es den Astronomen, das Alter von Sternen anhand des beobachteten Metallgehalts zu bestimmen.
„Die Sterne im Herzen unserer Galaxie sind metallarm, deshalb haben wir diese Region das ‚arme alte Herz‘ der Milchstraße genannt“, sagte der Mitautor der Studie, Hans-Walter Rix, der auch der „galaktische Archäologe“ war, der die Arbeit im Jahr 2022 leitete, in der Erklärung. „Bis jetzt hatten wir nur diese sehr frühen Fragmente erkannt, die zusammenkamen, um das alte Herz der Milchstraße zu bilden.
„Mit Shakti und Shiva sehen wir nun die ersten Stücke, die vergleichbar alt zu sein scheinen, aber weiter draußen liegen. Sie zeigen die ersten Schritte des Wachstums unserer Galaxie hin zu ihrer heutigen Größe.“
Die Diagramme zeigen die Verteilung der Zentralsterne in der Milchstraße, wobei ihre Gruppierung erkennbar ist. (Bildnachweis: ESA/Gaia/DPAC/K. Malhan et al. (2024))
Während Shakti und Shiva viele Gemeinsamkeiten aufweisen, gibt es einige wichtige Unterschiede zwischen den beiden uralten Sternströmen. Das Team fand heraus, dass die Sterne, aus denen Shakti besteht, zum Beispiel weiter vom Herzen der Milchstraße entfernt sind und auch kreisförmigere Bahnen haben als die Sterne von Shiva.
Vor mehr als 12 Milliarden Jahren bestand die Milchstraße aus einer Vielzahl langer, unregelmäßiger Gas- und Staubfäden, die sich zusammenzogen, Sterne bildeten und sich umeinander wickelten, um schließlich unsere Galaxie entstehen zu lassen. Dank Gaia wissen die Astronomen jetzt, dass auch Shakti und Shiva an dieser frühen Milchstraßenmischung beteiligt waren. Damit sind jedoch noch nicht alle drängenden Fragen zu unserer jungen Galaxie beantwortet – und die Forscher werden Gaia weiterhin nutzen, um einen stellaren Stammbaum der Milchstraße zu erstellen.
„Mehr über die Anfänge unserer Galaxie zu erfahren, ist eines der Ziele von Gaia, und es wird sicherlich erreicht“, sagte Timo Prusti, Projektwissenschaftler für Gaia bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). „Wir müssen die feinen, aber entscheidenden Unterschiede zwischen den Sternen in der Milchstraße herausfinden, um zu verstehen, wie unsere Galaxie entstanden ist und sich entwickelt hat. Dafür sind unglaublich präzise Daten erforderlich – und dank Gaia haben wir jetzt diese Daten.
„Mit der Entdeckung überraschender Teile unserer Galaxie, wie den Shiva- und Shakti-Strömen, füllen wir die Lücken und zeichnen ein vollständigeres Bild nicht nur unserer heutigen Heimat, sondern auch unserer frühesten kosmischen Geschichte.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 21. März im Astrophysical Journal veröffentlicht.
