11.03.2020 • Astrophysik

Galaktische Archäologie

Die galaktische Archäologie nutzt Sterne als fossile Zeugen ihrer Vergangenheit.

Die Astronomie ist ein enorm breites Fachgebiet, das von den kleinen Skalen der nuklearen Astrophysik bis zu den großen Skalen der Kosmologie reicht. Im Gegensatz zur Physik ist die Astronomie keine experimentelle Naturwissenschaft (von wenigen Ausnahmen bei der Erforschung des Sonnensystems oder beispielsweise Laborexperimenten mit Staub abgesehen), da wir nicht einfach einen Stern oder eine Galaxie im Labor nachbauen können. Unser Wissen über das Universum beruht daher in erster Linie auf Beobachtungen, hauptsächlich anhand von Photonen, aber auch durch Teilchen der kosmischen Strahlung oder Gravitationswellen.

Die Plejaden, im Volksmund auch Siebengestirn genannt, sind ein bekanntes... — Die Plejaden, im Volksmund auch Siebengestirn genannt, sind ein bekanntes Beispiel für einen offenen Sternhaufen, in dem alle Mitglieder etwa gleich alt sind. Sein Alter beträgt 100 bis 160 Millionen Jahre (Foto: HST/NASA/ ESA/ AURA Caltech).

Der scheinbare Nachteil nicht möglicher Experimente wird dadurch ausgeglichen, dass wir das Universum selbst als ein gigantisches Labor betrachten können, in dem die unterschiedlichsten Vorgänge ablaufen. Durch die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts, das Zeit braucht, um von anderen Himmelskörpern zu uns zu gelangen, können wir zudem in die Vergangenheit schauen. Je weiter ein Objekt von uns entfernt ist, desto länger dauert es, bis sein Licht zu uns gelangt und desto jünger war es, als es dieses Licht aussandte. Dies können wir nutzen, um die Entwicklung des Universums zu erforschen. Allerdings lassen sich dabei mit zunehmender Entfernung immer weniger Details auflösen. Da außerdem die Helligkeit mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, können wir im frühen Universum nur sehr leuchtkräftige Objekte – in erster Linie junge Galaxien mit sehr intensiver Sternentstehung – beobachten.

Eine der Schlüsselfragen der modernen Astronomie ist die Frage, wie Galaxien entstanden sind und sich über kosmische Zeiträume entwickelt haben. Wir können dies im Prinzip auf zweierlei Weisen erforschen: Zum einen durch die Untersuchung leuchtkräftiger Galaxien in unterschiedlichen Entfernungen, folglich in unterschiedlichen Entwicklungsphasen, und zum anderen durch die Erforschung von Galaxien im nahen Universum, indem wir ihre Sterne als fossile Zeugen ihrer Vergangenheit nutzen. Hierzu müssen diese Galaxien ausreichend nahe sein, damit wir sie mit leistungsfähigen Teleskopen in ihre einzelnen Sterne auflösen können. Diese Methode, bei der Galaxien im größt möglichen Detail untersucht werden, wird als galaktische Archäologie bezeichnet.

Aufgrund ihrer Nähe stehen bei der galaktischen Archäologie unsere Milchstraße und ihre zahlreichen kleineren Begleitergalaxien im Mittelpunkt. Letztere bezeichnet man aufgrund ihrer geringen Größe, Leuchtkraft und Masse auch als Zwerggalaxien. Sie sind wesentliche Bausteine größerer Galaxien, lassen sich jedoch nur im nahen Universum beobachten.

Die Sterne in Galaxien sind zu unterschiedlichen Zeiten entstanden und haben daher unterschiedliche Alter. Sterne niedriger Masse sind sehr langlebig und können Milliarden von Jahren überleben, während ihre massereichsten Geschwister nach nur wenigen Millionen Jahren als Supernovae explodieren. Sterne aus der Frühzeit des Universums haben zudem nur einen sehr niedrigen Anteil an schweren Elementen, da diese erst durch stellare Kernfusion gebildet werden müssen. Die nachfolgenden Sterngenerationen sind zunehmend mit schweren Elementen angereichert, da sie zum Teil aus synthetisiertem Material bestehen, das in früheren Supernovae und Sternwinden freigesetzt wurde.

Bei den Messungen der galaktischen Archäologie geht es darum, die Alter der Sterne, ihre chemischen Elementhäufigkeiten und ihre Bahnbewegungen zu bestimmen. Diese Eigenschaften zeigen uns, zu welchen Komponenten einer Galaxie die Sterne gehören, wie sich diese Komponenten zeitlich entwickelt haben, wie die chemische Entwicklung abgelaufen ist, welche Sterne in der Galaxie selbst entstanden sind oder aus akkretierten Zwerggalaxien stammen, welche Rolle Galaxienwechselwirkungen gespielt haben und vieles mehr.

Ziel der galaktischen Archäologie ist es, die Abläufe und die zugrundeliegende Physik der Galaxienentwicklung zu entschlüsseln. Eine genaue und zuverlässige Altersdatierung von Sternen ist hierfür eine wesentliche Voraussetzung. Welche Methoden dazu verwendet werden und welche Herausforderungen dabei auftreten, erläutert Achim Weiss vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in der März-Ausgabe von Physik in unserer Zeit.

Eva Grebel, Zentrum für Astronomie Heidelberg