Angesichts der ungeheuren Anzahl an Sternen in Galaxien könnte man meinen, dass jedes Jahr Hunderte, gar Tausende neu geboren werden. Doch Sterne sind aus menschlicher Sicht äußerst langlebig und existieren über Millionen bis Milliarden von Jahren. In unserer Galaxis bilden sich im Mittel nur ein bis drei Sterne pro Jahr!

Ganz anders ist das in Messier 82 (M 82), die aufgrund ihrer gestreckten und schmalen Erscheinung auch als Zigarrengalaxie bezeichnet wird. Sie befindet sich etwa zwölf Millionen Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Großer Bär (lateinisch: Ursa Major) und gehört zur Gruppe der Starburst-Galaxien. Diese zeichnen sich durch Phasen mit außergewöhnlich hoher Sternentstehungsrate aus. M 82 befindet sich seit mindestens zehn Millionen Jahren in einer solchen Sternbildungsphase, die rund zehnmal intensiver ist als in unserer Galaxis. Viele der neugeborenen Sterne sind sehr massereich und dabei aus astronomischer Sicht äußerst kurzlebig. In der Folge sind Supernova-Explosionen in der Zigarrengalaxie kein seltenes Schauspiel. Sie treiben gewaltige, heiße Winde an, deren Druck ausreicht, um kühleres Gas mitzureißen und weit über die Galaxie hinaus in den intergalaktischen Raum zu katapultieren. M 82 ist berühmt für ihre galaktischen Ausflüsse, die bis zu 40 000 Lichtjahre aus der Galaxie hinausreichen. Das ist eine beachtliche Distanz, wenn man sich vor Augen hält, dass allein die Scheibe des Milchstraßensystems einen Durchmesser von ungefähr 150 000 Lichtjahren hat.

Doch obwohl die Ausströmungen seit Jahrzehnten bekannt sind, fehlten bislang die Beobachtungsdaten, um den dahinterliegenden physikalischen Prozess zweifelsfrei beschreiben zu können. So war es bisher unklar, ob der thermische Gasdruck im Inneren der Galaxie allein ausreicht oder ob zusätzliche Kräfte wie kosmische Strahlung nötig sind, um das kühle Material aus dem Zentrum zu treiben. Einige der zur Beschreibung verwendeten Modelle von Starburst-Galaxien stammen immerhin aus den 1980er-Jahren.

»Einige unserer Modelle von Starburst-Galaxien stammen aus den 1980er-Jahren«Skylar Grayson, Student

Hier konnte nun Abhilfe verschafft werden: Einem internationalen Team um die Astronomin Erin Boettcher von der University of Maryland gelang es erstmals, das heiße Gas im Zentrum von M 82 direkt zu vermessen. Dabei nutze es Daten der japanisch-amerikanischen X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) und von deren hochauflösenden Spektrografen. Die Ergebnisse stützen nicht nur die klassischen Entwicklungstheorien, wonach Supernovae und Sternentstehung das Gas in Starburst-Galaxien aufheizen und den Ausfluss vorantreiben, sondern zeigen auch, dass der galaktische »Motor« von M 82 sogar kraftvoller und effizienter arbeitet, als es die Modelle vorhersagen.

Wie misst man galaktischen Wind?

Um die Temperatur und die Bewegung des heißen Gases im Zentrum von M 82 zu bestimmen, analysierte das Team dessen Emissionsspektrum im Röntgenbereich. Dabei liefern die Intensitätsverhältnisse bestimmter Spektrallinien Hinweise auf die Temperatur des Plasmas. Dessen Breite liefert darüber hinaus Informationen über die Bewegungen des Gases. Die Linien selbst stammen von schwereren Elementen wie Eisen oder Schwefel, die zuvor im Inneren massereicher Sterne entstanden sind und durch Supernova-Explosionen in das umgebende Material getragen wurden.

Die Gruppe konzentrierte sich insbesondere auf Linien von hochionisiertem Eisen und Schwefel – etwa von 24-fach ionisiertem Eisen (Fe XXV) sowie zweier Schwefelionen (S XVI und S XV), deren Verhältnis besonders empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert. Das angepasste Modell ergab eine Gastemperatur von circa 23 bis 25 Millionen Kelvin im Zentrum der Zigarrengalaxie. Gleichzeitig konnte das Team eine Obergrenze festlegen: Da kein noch stärker ionisiertes Eisen (Fe XXVI) nachgewiesen wurde, dürfte die Temperatur 60 Millionen Kelvin nicht überschreiten.

Das Material in der zentralen Region von M 82 bewegt sich zudem mit hohen Geschwindigkeiten in verschiedene Richtungen – sowohl auf uns zu als auch von uns weg. In der Folge werden die Linien durch den Dopplereffekt verbreitert. Aus dem Ausmaß der Linienverbreiterung von Eisen ermittelte die Gruppe eine Ausströmungsgeschwindigkeit von rund 1030 Kilometern pro Sekunde, was mehr als 3,7 Millionen Kilometern pro Stunde entspricht.

»Vor XRISM hatten wir nicht die Möglichkeit, die nötigen Geschwindigkeiten zu messen, um unsere Modelle zu testen«Erin Boettcher, Astrophysikerin

Hocheffizienter Motor

Der Antrieb des heißen Winds stammt primär von Supernovae, die im Zentrum der Galaxie mit einer Rate von etwa 10 bis 13 Ereignissen pro Jahrhundert auftreten. Zum Vergleich: In der Milchstraße explodiert nur etwa einmal im Jahrhundert ein massereicher Stern in einer solchen kosmischen Katastrophe. Das Team fand nun heraus, dass im Zentrum von M 82 nahezu die gesamte freigesetzte Energie der Supernovae in Wärme umgewandelt wird. Kosmische Strahlung ist zwar auch vorhanden, sie spielt aber nur eine untergeordnete Rolle. Der thermische Druck des hocherhitzten Gases allein reicht aus, um die kühleren, dichteren Gasschichten nach außen zu treiben. Diese bestehen hauptsächlich aus molekularem, neutralem und einfach ionisiertem Wasserstoff sowie Staub und »warmem« Plasma zwischen fünf und zehn Millionen Grad.

Die Geometrie des Ausflusses wird dabei durch einen massiven Ring aus dem kühleren molekularen Gas (Torus) im galaktischen Zentrum geformt. Dieser Torus wirkt wie eine Düse, die das expandierende Gas daran hindert, sich seitlich auszubreiten. Das kanalisierte heiße Gas ist daher gezwungen, das kühlere Material in Form eines Doppelkegels senkrecht zur Galaxienscheibe vor sich her zu treiben. Das kalte Umgebungsmaterial wird dabei auf eine Geschwindigkeit von wenigen Hundert Kilometern pro Sekunde beschleunigt.

Kosmischer Kreislauf

Die Gruppe schätzt, dass jedes Jahr das Äquivalent von etwa sieben Sonnenmassen an heißem Gas aus dem Zentrum von M 82 ausgestoßen wird. Der großflächige und kühlere Materialstrom trägt einen weitaus größeren Teil der Masse aus der Galaxie – mehr als 30 Sonnenmassen pro Jahr. Das meiste davon bleibt allerdings gravitativ an M 82 gebunden. Doch längst ist nicht alles verstanden: Für dessen Beschleunigung sind den Modellen zufolge bereits vier Sonnenmassen an heißem Wind ausreichend. Wohin gehen also die verbliebenen überschüssigen drei Sonnenmassen, immerhin etwa 40 Prozent des hocherhitzten Gases?

Das Team vermutet, dass es über genügend Energie verfügt, um vollständig aus der Galaxie in das intergalaktische Medium zu entweichen. Denn der gemessene Wert von 1030 Kilometern pro Sekunde übersteigt die lokale Fluchtgeschwindigkeit von 450 Kilometern pro Sekunde deutlich. Über einen Zeitraum von rund zehn Millionen Jahren könnten so bis zu 30 Millionen Sonnenmassen an mit Metallen angereichertem heißem Gas in den intergalaktischen Raum gelangt sein, so das Team.

Dieser Prozess ist Teil des Baryonenzyklus: Er beschreibt den Kreislauf von gewöhnlicher Materie, wonach Galaxien Gas aufnehmen und daraus Sterne bilden. Diese produzieren daraus ihrerseits via Kernfusion schwerere chemische Elemente, die »Metalle«. Durch die Sternwinde und -explosionen wird mit Metallen angereichertes Material und Energie wieder hinausgetragen. Das liefert wiederum den Grundbaustein für spätere Generationen von Stern- und Planetensystemen und beeinflusst gleichzeitig die großräumige Aufheizung und Struktur des intergalaktischen Gases über Milliarden von Jahren.

M 82 dient den Astronomen dabei als ein einzigartiges Labor. Während die theoretische Grundlage zur Entwicklung solcher Starburst-Galaxien bereits seit Jahrzehnten gelegt ist, ermöglichen die neuen Daten von XRISM erstmals, die zugrunde liegenden Annahmen der Modelle direkt zu überprüfen und entscheidend zu verfeinern.