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Der Himmel über La Palma, von Klaus Fuhrmann


Galaxien

IV. Die Milchstraße - Schwarze Zwerge


Als im Jahr 1983 die Existenz einer zweiten Scheibenpopulation für die Milchstraße durch die beiden Astrophysiker Gerard Gilmore und Neill Reid gefordert wurde, gab es, wie im letzten Monat bereits erwähnt, zunächst viel Kritik. Doch als einige Jahre später vermehrte Zustimmung einsetzte, war Gilmore bereits einen Schritt weiter. Zusammen mit seiner Kollegin Rosemary Wyse stellte er 1987 fest, daß die zweite, die alte Scheibenpopulation, die wahre Population II ist.

Worin liegt die Bedeutung dieser Erkenntnis? Wir hatten bereits im ersten Teil dieser kleinen Serie (Jul-2007) kurz erwähnt, daß für die meisten Astronomen Population I durch eher junge Sterne, wie die Sonne, repräsentiert wird, während Population II Sterne uralt sind und sich vornehmlich im großräumigen Halo der Milchstraße aufhalten. Die räumliche Verteilung der Population I Sterne ist also symmetrisch zur Milchstraßenebene, während die räumliche Verteilung der Population II Sterne symmetrisch zum Milchstraßenzentrum sein sollte. (Letzteres bedeutet übrigens, daß die meisten Halosterne tatsächlich gar nicht im Halo zu finden wären, sondern eher im Zentralbereich der Milchstraße, da deren Dichte dort erheblich höher sein sollte.)

Nun aber hieß es, Population II sei auch eine Scheibenpopulation. Aber was waren dann die Halosterne?

Einigen Astronomen war bereits zur damaligen Zeit aufgefallen, daß nicht wenige Halosterne wirklich extreme Geschwindigkeiten besaßen und ihr Ursprung somit gar nicht in unserer Milchstraße liegen konnte. Andere Halosterne hingegen waren kaum älter als die Sonne, was ebenfalls nicht in das Entstehungsbild der Milchstraße paßte, wonach alle Halosterne ja uralt sein sollten.

Einen wichtigen Schritt brachte dann die Entdeckung der Sagittarius Zwerggalaxie im Jahre 1995. Wieder hatte oben erwähnter Gerard Gilmore seine Finger mit im Spiel, als ihm zusammen mit seinen Kollegen die Beobachtungen gelangen, welche die Verschmelzung der kleinen Sagittarius Galaxie mit der Milchstraße zeigte. Das bedeutete nun aber nichts anderes, als daß unsere Milchstraße tatsächlich auch "Ausländer" aufnimmt und nicht nur aus "Einheimischen" besteht.

Die Befürworter der hierarchischen Galaxienentstehung sahen sich mit dieser Beobachtung in ihren Modellen bestätigt. Genau so nämlich sollte unsere Milchstraße auch entstanden sein, durch eine fortgeführte Akkretion bzw. Verschmelzung kleinerer Bausteine, also z.B. Zwerggalaxien.

Andererseits war jetzt aber auch klar geworden, daß zumindest ein Teil der Halostern-"Belegschaft" gar nichts mit der Entstehung der Milchstraße zu tun hatte, sondern erst viel später dazugekommen war. Bei anderen vermeintlichen Halosternen stellte man zudem fest, daß sie eher der alten Scheibenpopulation zuzuordnen waren. Mit anderen Worten: dem Halo liefen seine Mitglieder davonů

Während dieser nun aber in die Knie ging, bzw. die Bedeutung der Halosterne in eine andere Richtung lief, zeigte die von Gilmore/Reid/Wyse propagierte Scheibenpopulation, daß letztere in der Tat sehr alt ist und als die wahre Population II der Milchstraße angesehen werden muß.

Wenn man die Spektren ihrer Sterne untersuchte, so zeigte die Population II einen besonders großen Anteil an Elementen wie Sauerstoff, Magnesium, oder Silizium. Diese Elemente, so wußte man, werden vor allem immer dann produziert, wenn sehr massereiche Sterne nach kurzer Zeit bereits wieder explodieren und so die frisch fusionierten Elemente für weitere Sternbildung zur Verfügung stellen. Astrophysiker sprechen dann von einem "starburst", also einem Feuerwerk der Sternentstehung. Nichts was man derzeit in der Milchtraße beobachtet, wohl aber in anderen Galaxien, z.B. wenn größere Verschmelzungen anstehen. Wenn dann dereinst auch die Milchstraße sich mit der Andromedagalaxie vereinen wird, könnte das durchaus der nächste große "starburst" in heimischen Gefilden werden.

Die Sterne der Population II mußten also unter eher extremen Verhältnissen entstanden sein, das zeigten ihre Spektren in eindeutiger Weise. Die Altersbestimmungen bestätigten zudem, daß die Population II Sterne durchweg älter als 12 Milliarden Jahre sein mußten. Aber nun kam noch ein weiterer wichtiger Umstand hinzu: einige dieser uralten Sterne besaßen bereits soviel schwere Elemente, wie die mit ihren 4.5 Milliarden Jahren doch vergleichsweise junge Sonne.

Der hohe Gehalt an schweren Elementen der uralten Population II Sterne wiederum bedeutete nun aber nichts anderes, als daß bei dem ursprünglichen "starburst" in der Milchstraße nicht nur einige wenige Sterne beteiligt waren, sondern ganz im Gegenteil viele Milliarden Objekte. Die Population II mußte also auch eine massereiche Komponente der Milchstraße sein. Die junge Milchstraße glich damit einem Feuerwerk der Sternentstehung und mußte damals noch brillanter ausgeschaut haben als heute. Gleichzeitig stellt dieses Szenario aber das Bild der hierarchischen Galaxienentstehung in ein schlechtes Licht. Nun geht es nicht mehr Schritt für Schritt auf dem Weg zu einer wohlgeordneten Spiralgalaxie, sondern ganz im Gegenteil, vor nunmehr 12 Milliarden Jahren war - folgt man den Beobachtungsdaten - bereits fast alles fertig aufgebaut.

Wie dramatisch diese erste Phase gewesen sein muß, zeigt sich auch darin, daß es in unserer stellaren Nachbarschaft kaum Sterne gibt, deren Alter bei 9, 10, oder 11 Milliarden Jahren liegt. Alles ist scheinbar entweder älter als 12 Milliarden Jahre - so wie Arkturus - oder jünger als 8 Milliarden Jahre, die obere Grenze der Population I Sterne. Nachdem das erste Feuerwerk abgebrannt war und mit dem Ausstoß gewaltiger Materiemengen in den intergalaktischen Raum geendet hatte, brauchte es offensichtlich mehrere Milliarden Jahre, bis genügend Materie wieder auf die Milchstraße "zurückgeregnet" kam und sich in einer zweiten Stufe dann die Population I bilden konnte.

Wenn also das, was wir heute des Nachts als "Milchstraße" beobachten, vielleicht aus 100 Milliarden Population I Sternen besteht, so könnte es also durchaus noch weitere 100 Milliarden Sterne der Population II geben. Aber wo sind diese Sterne? Arkturus ist, wie gesagt, einer von ihnen, aber fast alles - etwa 96% Prozent - von dem, was man des Nachts als Milchstraße heutzutage wahrnimmt, stammt von der vergleichsweise jungen Population I. Was wäre denn, so fragen wir weiter, wenn die Sonne ein Population II Stern wäre? Mit 12 Milliarden Jahren würde sie - wie Arkturus - als Roter Riese vom Himmel scheinen. Doch mit 13 Milliarden Jahren wäre sie bereits ein Weißer Zwerg geworden.

Könnte es also sein, daß die Population II einen beträchtlichen Anteil an Weißen Zwergen besitzt? Könnte man diese finden, bzw. nach diesen suchen?

Sicher, suchen kann man immer. Aber, wie so oft in der Geschichte der Wissenschaften und vor allem der Astronomie, war die entscheidende Entdeckung eine zufällige. Genau wie oben erwähnte Forschergruppe nicht nach der Sagittarius Zwerggalaxie gesucht hatte, so war auch eine andere Forschergruppe Ende der 1990er Jahre nicht darauf aus, Weiße Zwerge der Population II zu suchen. Letzteren war aber ein schwaches Objekt in der Nähe der Hyaden (in Richtung des Sternbildes Stier) aufgefallen, das sich mit relativ großer Geschwindigkeit über den Himmel bewegte, so daß Aufnahmen, die nur einige Jahre auseinander lagen, eine deutliche Eigenbewegung am Himmel offenbarten.

Abbildung 1 zeigt dieses Objekt, das als Weißer Zwerg identifiziert werden konnte und fortan unter dem Namen WD 0346+246 Bekanntheit erlangte. Das besondere und unerwartete an WD 0346+246 war, daß dieser Weiße Zwerg sich als so sehr ausgekühlt - also dunkel - zeigte, daß manche ihn gleich viel treffender als "Schwarzen Zwerg" bezeichneten. Die Effektivtemperatur von WD 0346+246, die zwar immer noch etwa 4000 Grad beträgt, stellte den tiefsten jemals gemessenen Wert für einen Weißen Zwerg dar. Und dieser Wert konnte nur erreicht werden, wenn dieses Objekt sehr, sehr viel Zeit zum Auskühlen gehabt hatte.

Die Sterne über La Palma von Klaus Fuhrmann

Abbildung 1: WD 0346+246, der erst 1997 - und auch nur zufällig - entdeckte erste "Schwarze Zwerg" der Milchstraße (in der oberen Ausschnittsvergrößerung rot markiert). Tatsächlich handelt es sich hierbei um einen Weißen Zwerg, der aber als Population II Scheibenstern 12 Milliarden Jahre Zeit zum Auskühlen hatte. Relativ kalt und sehr kompakt - WD 0346+346 ist kleiner als unsere Erde, hat aber fast die Masse der Sonne - sind diese Objekte der "Vorzeit" nur extrem schwierig auszumachen. Der sehr leuchtschwache WD 0346+0246 ist mit seinen weniger als 100 Lichtjahren Entfernung astronomisch gesehen aber noch immer gleich vor der "Haustür".


Für viele Astrophysiker war WD 0346+246 nun der "Star" am Nachthimmel. Man war sich sicher, einen uralten Halostern gefunden zu haben. Allerdings: photometrisch hätte man ein eher "rotes" Objekt erwartet, WD 0346+246 war in seinem Aussehen aber von "blauer" Farbe. Auf Grund seiner tiefen Effektivtemperatur konnte dieser Weißer Zwerg offensichtlich Anteile seines roten Lichts unterdrücken. Modellrechnungen kühler Weißer Zwerge konnten diesen Effekt auch unmittelbar bestätigen. Das hieß nun aber für die Beobachter, daß man jetzt im Weltraum nach eher "blauen" Objekten suchen mußte, wenn man die kühlen Weißen Zwergen finden wollte.

Mit dieser neuen, unerwarteten Erkenntnis fand man dann in der Folge sofort eine ganze Reihe dieser Objekte unter den "Schnelläufern", also den Sternen hoher Eigenbewegung. Man fand sie aber auch auf tiefen Belichtungen, zum Beispiel den sogenannten Hubble Deep Fields, Belichtungen, die über viele Stunden mit dem berühmten Weltraumteleskop gemacht wurden.

Und schon bald gab es einer Reihe von Publikationen zu dem Thema, die allerdings fast ausschließlich von "Halosternen" berichteten. Einigen Astronomen war allerdings aufgefallen, daß praktisch alle diese "Schwarzen Zwerge" bezüglich ihrer Raumbewegung aber nicht als Halosterne einzustufen waren. Halosterne drehen sich, da sie ursächlich nichts mit unserer Milchstraße zu tun haben, auch nicht mit ihr mit. Bei 90% der hier gefundenen Objekte zeigte sich aber eine merkliche Rotation, so wie man sie für die Population II auch erwarten würde. Und WD 0346+246, so zeigte sich ebenfalls, war auch kein Halostern, sondern ein uralter Population II Scheibenstern.

Die ursprünglich über das Licht dominante Population II war also ganz offensichtlich in ihrer Milliarden Jahre andauernden Entwicklung in das Reich der Schwarzen Zwerge abgetaucht. Deren Lage möglichst vollständig zu kartieren ist selbst über kleine Raumbereiche und auch mit den derzeit größten Teleskopen eine schier unmögliche Aufgabe.

In der Tat wissen wir auch heute im Jahr 2007 noch viel zu wenig über den Anteil der Weißen Zwerge in der Milchstraße. Unzweifelhaft spielen sie aber eine wichtige Rolle für die Dynamik unserer Spiralgalaxie. Die Untersuchung noch "lebender" Population II Sterne, wie Arkturus, läßt jedenfalls den Schluß zu, daß wir gerade erst damit begonnen haben, die Spitze eines Eisberges aus Schwarzen Zwergen ausfindig zu machen...

Es hat also den Anschein, daß unsere Milchstraße schon viele ereignisreiche Tage hinter sich hat. Die heute vornehmlich zu beobachtenden Population I Sterne, die sich mit ihrem Licht dem Beobachter geradezu aufdrängen, haben die Astronomen über eine lange Zeit in ihrem Bann gehalten. Es ist heute kaum vorstellbar, daß Edmund Halley - als er die Eigenbewegung des Arkturus vor etwa 300 Jahren entdeckte - bereits ahnen konnte unsere Milchstraße könne auch eine dunkle Seite haben. Heute wissen wir, es gibt hier eine zweite, sehr alte Population, die den Beginn der Milchstraße definiert. Anders als die hellen Population I Sterne, scheinen viele der Schwarzen Zwerge dieser Population II aber doch kein besonderes Interesse zu bekunden, von uns auch als solche erkannt zu werden.



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