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Wie Sterne entstehen: Astronomen finden Rezept für die Sternentstehung

Astronomen haben eine Möglichkeit gefunden, anhand von Beobachtungen vorherzusagen, wieviele neue Sterne sich in einer Molekülwolke bilden werden. Sie nutzen dabei eine neue Methode, die räumliche Struktur solcher Wolken zu rekonstruieren. Das damit gefundene "Sternentstehungs-Rezept" erlaubt es, Theorien der Sternentstehung direkt mit Beobachtungen zu vergleichen. Außerdem werden Teleskope wie beispielsweise der Teleskopverbund ALMA damit die Sternentstehungsaktivität ferner Gaswolken abschätzen und so eine Sterngeburtenkarte unserer Heimatgalaxie erstellen können.
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Sternentstehung ist einer der grundlegenden Prozesse im Kosmos. Wie sich Sterne bilden, und unter welchen Bedingungen, bestimmt Erscheinungsbild und Eigenschaften ganzer Galaxien. Sterne werden in riesigen Wolken aus interstellarem Gas und Staub geboren. Kollabiert eine Gasregion im Inneren dieser Wolken unter ihrer eigenen Schwerkraft, dann zieht sich das Gas darin soweit zusammen, bis Druck und Temperatur hoch genug sind, dass Kernfusion einsetzen kann: ein neuer Stern ist entstanden.

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Pfeifennebel und Rho-Ophiuchi-Dunkelwolke | Auf dieser Aufnahme sind zwei der von Kainulainen und Kollegen untersuchten Molekülwolken zu sehen: Der Pfeifennebel (links) und die Rho-Ophiuchi-Dunkelwolke (rechts) vor dem Hintergrund der Milchstraße. Letzterer wird durch eine normale Aufnahme der Region im sichtbaren Licht dargestellt; in den Kästen befinden sich Karten der beiden Gaswolken. Sie verdeutlichen, in welchem Ausmaß das Licht dahinterliegender Sterne durch die Wolken abgeschwächt wird. Diese Karten bildeten die Grundlage der räumlichen Struktur der Wolken, aus denen die Astronomen ihr "Sternentstehungsrezept" erschlossen haben.

Wie schnell in einer Wolke neue Sterne entstehen und wieviel Gas dabei verbraucht wird – also die Sternentstehungsrate – ist nicht einfach nachzuweisen. Zwar kann man für nahegelegene Wolken in nicht mehr als 1500 Lichtjahren Entfernung vergleichsweise einfach nachzählen, wieviele junge Sterne sich in der Wolke befinden. Aber für weiter entfernte Wolken, in denen sich keine individuellen Sterne beobachten lassen, versagt die direkte Zählung. Die Sternentstehungsraten für solche Wolken sind weitgehend unbekannt.

Jetzt haben die drei Astronomen Jouni Kainulainen und Thomas Henning vom Max-Planck-Institut für Astronomie und Christoph Federrath von der Monash-Universität in Australien eine alternative Möglichkeit gefunden, abzuschätzen, wieviele neue Sterne sich in einer Wolke bilden: eine Art von Sternentstehungsrezept, das die Verbindung zwischen direkten astronomischen Beobachtungen der Struktur riesiger Gaswolken und ihren Sternentstehungsraten herstellt.

Dazu entwickelten die Astronomen eine Methode, mit der sich die räumliche Struktur individueller Gaswolken vereinfacht modellieren lässt. Die Daten, an denen sich das Modell orientiert, stammen aus Durchleuchtungsbeobachtungen: Das Licht ferner Sterne, das durch die Wolke hindurchscheint, ehe es die Erde erreicht, wird durch den Staub in der Wolke etwas abgeschwächt. Die Rekonstruktion der Wolkenstruktur nutzt Abschwächungsmessungen für Zehntausende von Sternen; ist die räumliche Struktur bekannt, dann lassen sich damit auch die Dichten der verschiedenen Regionen im Inneren der Wolke bestimmen.

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Computersimulation der Sternentstehung in einer turbulenten Gaswolke | Solche Computersimulationen der Sternentstehung in einer turbulenten Gaswolke nutzten die Astronomen um Jouni Kainulainen, um ihre Methode zur Rekonstruktion der räumliche Struktur solcher Gaswolken zu testen. Orte, an denen gerade neue Sterne entstehen, sind in der Abbildung durch Kreise gekennzeichnet; eine hellere Farbe entspricht dabei massereicheren Sternen.

Für näher gelegene Wolken verglichen Kainulainen und seine Kollegen ihre Rekonstruktion mit direkten Beobachtungen junger Sterne, die sich in den betreffenden Wolken erst vor kurzem gebildet hatten. Auffällig war dabei, dass sich erst bei Regionen ab einer bestimmten Dichte überhaupt neue Sterne bildeten. Den kritischen Dichtewert konnten die Astronomen zu rund 5000 Wasserstoffmolekülen pro Kubikzentimeter abschätzen. Offenbar kann das Gas in einer Region nur dann kollabieren, um einen Stern zu bilden, wenn die Dichte in dieser Region über dem kritischen Wert liegt.

Kainulainen erklärt: "Wir konnten erstmals aus Beobachtungen der Wolkenstruktur einen kritischen Dichtewert für die Sternentstehung bestimmen. In Theorien der Sternentstehung spielt solch eine kritische Dichte bereits seit langem eine wichtige Rolle. Aber erst mit unserer Methode, die räumliche Struktur von Molekülwolken zu rekonstruieren, können Astronomen die Dichtestruktur solcher Wolken ableiten – und dann Beobachtung und Theorie direkt vergleichen."

Die numerischen Simulationen, mit deren Hilfe die neue Methode getestet wurde, wurden von Christoph Federrath durchgeführt. Er fügt hinzu: "Mit diesen Ergebnissen und mit Hilfe der Werkzeuge, die wir zur Überprüfung der Sternentstehungstheorien entwickelt haben, können wir uns jetzt einer der großen offenen Fragen der Astrophysik zuwenden: Angenommen, wir haben es mit einer Wolke mit einer bestimmten Gesamtmasse zu tun. Wieviele Sterne werden in dieser Wolke entstehen, und welche Massen werden diese Sterne haben?"

Thomas Henning, Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie und Koautor der Studie, fügt hinzu: "Es gibt viele Beobachtungen solcher Molekülwolken – und dank dem neuen Teleskopverbund ALMA wird es in Zukunft viele noch deutlich detailreichere solcher Beobachtungsdaten geben. Mit unserer Methode können wir sagen: Zeigt uns eure Daten, dann können wir euch sagen, wieviele Sterne in eurer Wolke entstehen."

ALMA ist ein Teleskopverbund aus 66 hochpräzisen Mikrowellen-Antennen mit gegenseitigen Abständen von bis zu 16 Kilometern, die zusammengeschaltet wie ein einziges, extrem detailscharfes Teleskop agieren können. ALMA befindet sich auf der chilenischen Atacama-Hochebene, hat über die letzten Jahre hinweg den Beobachtungsbetrieb aufgenommen und kann Gas- und Staubwolken mit nie dagewesener Empfindlichkeit und Detailschärfe nachweisen.

Kainulainen sagt: "Wir haben den Astronomen ein neues, wirkungsvolles Werkzeug in die Hand gegeben. Sternentstehung ist einer der grundlegendsten Vorgänge in der Astronomie. Und unsere Ergebnisse erlauben es den Astronomen, Sternentstehungsraten für viele Gaswolken zu bestimmen, bei denen dies bislang nicht möglich war – sowohl in unserer Milchstraße als auch in anderen Galaxien."

MPIA / Red.

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  • Quellen
Kainulainen, J. et a.: Unfolding the Laws of Star Formation: The Density Distribution of Molecular Clouds. In: Science 344, S. 183 – 185, 2014

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