Galaktische Alterspyramide

Das Alter von Sternen offenbart nicht nur viel über ihre eigene Geschichte, sondern auch über die Entwicklung ihrer Galaxie. Astronomen hoffen, aus der Alters­struktur von Sternen in einer Galaxie etwas über die dunkle Materie heraus­finden zu können. Deshalb laufen einige Beob­achtungs­pro­gramme, die nicht nur das dichte Zentrum unserer Milch­straße, sondern auch die Scheibe und den dünnen Halo ins Visier nehmen. Insbe­sondere im Halo ist die Alters­bestimmung nicht einfach, da er wesent­lich weniger Sterne enthält als die Haupt­scheibe und das Zentrum der Milch­straße. Zudem ist er mit über fünfzig Kilo­parsec auch sehr ausge­dehnt und besitzt einen hohen Anteil an Sternen, die nicht in der Milch­straße ent­standen sind, sondern von Zwerg­galaxien herein­strömen, die durch die Gezeiten­kräfte der Milch­straße zer­rissen werden.

Um diese Altersverteilung besser aufschlüsseln zu können, wählte ein Team um Daniela Carollo von der Uni­ver­sity of Notre Dame in den USA nun mit BHB-Sternen einen speziellen Stern­typ aus. Diese Sterne verdanken ihre Bezeichnung „blue hori­zontal branch stars“ der Tat­sache, dass sie im Hertz­sprung-Russel-Diagramm eine hori­zontale Abzwei­gung von der Haupt­reihe in Richtung blau nehmen. Die Forscher unter­suchten insgesamt etwa 130.000 solcher Sterne, die im Rahmen des Sloan Digital Sky Survey aufge­nommen wurden.

BHB-Sterne haben ihre jungen Jahre bereits hinter sich. Sie besitzen nur rund sechzig bis siebzig Prozent der Masse unserer Sonne. Nach Verbrauch ihres Wasser­stoff­vorrats haben sie die Rote-Riesen-Phase durch­laufen und sind zum Helium-Brennen über­ge­gangen. Diesem verdanken sie ihr helles, blaues Leuchten, das sich gut nach­weisen lässt.

Dank neuer Studien ist es möglich geworden, das Alter von BHB-Sternen anhand ihres Spektrums recht genau zu bestimmen. Bei einer bestimmten chemischen Zusammen­setzung hängt die anfäng­liche Farbe eines BHB-Sterns nur von seiner Masse ab, wobei weniger masse­reiche Sterne mehr ins Blaue neigen. Mit zuneh­mendem Alter verschiebt sich das Spektrum noch etwas im Hertz­sprung-Russel-Diagramm. Von besonderer Bedeutung ist es dabei, dass die farb­liche Verschie­bung in Popu­la­tionen von BHB-Sternen nicht besonders stark von der Metal­li­zität abhängt, sondern vor allem vom Alter dieser Sterne. Auf diese Weise konnten die Wissen­schaftler die Alters­struktur dieser Sterne im galak­tischen Halo nach­voll­ziehen. Wie sich außerdem zeigte, war die Metal­li­zität der BHB-Sterne im unter­suchten Spektral­bereich beinahe konstant.

Eine Schwierigkeit bei dieser Altersbestimmung liegt darin, dass ein anderer Stern­typ recht ähnliche spek­trale Eigen­schaften besitzt. Die blauen Nach­zügler (BSS, blue straggler stars) sind eben­falls heller als Haupt­reihen­sterne und leuchten blau – sie können dadurch die Alters­be­stimmung der BHB-Sterne durch­ein­ander bringen. Die Forscher konnten eine allzu starke Verun­rei­nigung ihres Daten­satzes mit blauen Nach­züglern aber durch eine scharfe spek­trale Begren­zung gering halten.

Die BHB-Sterne zeigen im Schnitt einen klaren Trend von älter zu jünger, je weiter ent­fernt vom Zentrum der Milch­straße sie sind. In einer Distanz von zehn bis fünf­zehn Kilo­parsec liegt ihr Alter zwischen 11,5 und 12,5 Milli­arden Jahren. Weiter außer­halb nimmt das Alter auf durch­schnitt­lich 11 Milli­arden Jahre ab. Aber nicht nur das Alter ver­ändert sich mit zuneh­mendem Abstand vom galak­tischen Zentrum. Auch die Alters­struktur wird hete­ro­gener: Weiter draußen vari­iert das Sternen­alter stärker als nahe am Zentrum der Milch­straße. Sehr alte Sterne mit einem Alter von über zwölf Milli­arden Jahren finden sich aber in allen Ent­fernungen.

Neben den normalen Kandidaten im Milchstraßen-Halo konnten die Forscher auch einige bekannte Sternen­ströme und Regionen hoher Sternen­dichte identi­fi­zieren und das Alter ihrer BHB-Popu­lation bestimmen. Besonders auf­fällig ist der Sagittarius-Strom, der von einer Zwerg­galaxie stammt, die die Milch­straße sich ein­ver­leibt. Deren Sterne sind mit einem Alter von 9,5 bis 11 Millli­arden Jahren ver­gleichs­weise jung. Der Styx-Strom und der Orphan-Strom, die von aufge­lösten Zwerg­galaxien stammen, sind mit 10 bis 11 bzw. 11,5 Milli­arden Jahren ein wenig älter. Der Cetus-Polar-Strom erreicht sogar 12 Milli­arden Jahre.

Die Wissenschaftler untersuchten auch die Überein­stimmung zwischen Sternen im diffusen Halo und in Kugel­stern­haufen, die vor allem sehr alte Sterne bein­halten. Auch hier zeigte sich derselbe Zusammen­hang: Je weiter vom Zentrum der Milch­straße ent­fernt, desto größer ist die Dis­per­sion in der Alters­ver­teilung. Diese Ergeb­nisse decken sich nach Angaben der Forscher mit dem Lambda-CDM-Modell zur Verteilung kalter dunkler Materie in Galaxien und der dadurch bestimmten Galaxien­ent­wicklung. Dennoch werden erst weitere Unter­suchungen hier genauere Rand­bedin­gungen liefern können. Die Methode ist jeden­falls uni­ver­sell ein­setz­bar und nicht auf Messungen in der Milch­straße beschränkt. Auch andere Galaxien in der lokalen Gruppe sollten sich mit dieser Methode unter­suchen lassen. So planen die Forscher bereits, die Andromeda-Galaxie und die Magellan­schen Wolken ins Visier zu nehmen.

Dirk Eidemüller

RK