Galaktische Gasströme

Das molekulare Gas in Galaxien wird durch physikalische Prozesse wie galaktische Rotation, Supernova-Explosionen, Magnetfelder, Turbu­lenzen und Schwerkraft in Bewegung gesetzt und formt ein Netzwerk aus Gasströmen. Es ist schwierig zu ermitteln, wie sich diese Bewegungen direkt auf die Stern- und Planeten­entstehung auswirken, da die Gasbewegung über viele räumliche Größenordnungen gemessen und diese Bewegung dann mit den beobachteten Strukturen in Verbindung gebracht werden muss. Moderne astro­physikalische Instrumente karto­grafieren heute routinemäßig riesige Bereiche des Himmels, wobei einige Karten Millionen von Pixeln enthalten, von denen jede Hunderte bis Tausende von unabhängigen Geschwindigkeits­messungen enthält. Folglich ist die Messung dieser Bewegungen sowohl wissenschaftlich als auch technologisch anspruchsvoll. Um diesen Heraus­forderungen zu begegnen, machte sich ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Jonathan Henshaw vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg daran, mithilfe von Beobachtungen des Gases in der Milchstraße und einer nahen Galaxie die Gasbewegungen in einer Vielzahl unter­schiedlicher Umgebungen zu messen.

Die Forscher erfassten diese Bewegungen, indem sie die scheinbare Änderung der Frequenz des von den Molekülen emittierten Lichts beim Doppler­effekt maßen, die durch die relative Bewegung zwischen der Lichtquelle und dem Beobachter verursacht wird. Durch den Einsatz neuartiger Software konnte das Team Millionen von Messungen analysieren. „Diese Methode ermöglichte es uns, das interstellare Medium auf eine neue Art und Weise zu sehen“, erläutert Henshaw. Die Forscher fanden heraus, dass die Bewegungen des kalten mole­kularen Gases in der Geschwindigkeit zu fluktuieren scheinen, was an Wellen an der Oberfläche des Ozeans erinnert. Diese Fluktuationen stellen Gasbewegungen dar. „Die Schwankungen selbst waren nicht besonders überraschend. Wir wissen, dass sich das Gas bewegt“, gibt Henshaw zu bedenken. Steve Longmore, der an der Liverpool John Moores University forscht, fügt hinzu: „Was uns überraschte, war, wie ähnlich die Geschwindigkeits­struktur dieser verschiedenen Regionen aussah. Es spielte keine Rolle, ob wir eine ganze Galaxie oder eine einzelne Wolke innerhalb unserer eigenen Galaxie betrachteten; die Struktur war mehr oder weniger die gleiche.“

Um die Eigenschaften der Gasströme besser zu verstehen, wählte das Team mehrere Regionen für eine eingehende Untersuchung aus, wobei es fort­schrittliche statistische Techniken einsetzte, um nach Unterschieden zwischen den Schwankungen zu suchen. Durch die Kombination einer Vielzahl verschiedener Messungen konnten die Forscher feststellen, wie die Geschwindigkeits­fluktuationen von der räumlichen Verteilung abhängen. „Ein besonderes Merkmal unserer Analyse­techniken ist, dass sie empfindlich für periodische Schwankungen sind“, erklärt Henshaw und führt aus: „Wenn in den Daten periodische Muster auftreten, wie etwa riesige Molekül­wolken in gleichen Abständen entlang eines Spiralarms, können wir direkt die Größenskala bestimmen, auf der sich das Muster wiederholt.“ Das Team identifizierte drei filamentartige Gasstränge, die, obwohl sie sehr unter­schiedliche Größen­ordnungen abbilden, alle eine Struktur zu zeigen scheinen, die entlang ihres Verlaufs nahezu regelmäßig unterteilt ist, wie Perlen auf einer Schnur. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um riesige Molekül­wolken entlang eines Spiralarms oder um winzige, dichte Kerne innerhalb der Wolken handelt, die entlang eines Filaments Sterne bilden.

Das Team entdeckte, dass die Geschwindigkeits­schwankungen, die mit gleichmäßig entfernten Strukturen verbunden sind, alle ein charak­teristisches Muster aufweisen. „Die Fluktuationen sehen aus wie Wellen, die entlang des zentralen Grats der Filamente oszil­lieren. Sie haben eine eindeutig definierte Amplitude und Wellenlänge“, sagt Henshaw und fügt hinzu: „Der periodische Abstand der riesigen Molekülwolken auf großen Skalen oder einzelner stern­bildender Kerne auf kleinen Dimensionen ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass ihre Mutter­filamente durch die Schwerkraft instabil geworden sind. Wir sind der Ansicht, dass diese oszillierenden Ströme die Signatur von Gas sind, das entlang der Spiralarme strömt oder in Richtung der Verdichtungen zusammen­strömt und neuen Treibstoff für die Stern­entstehung liefert.“

Andererseits fand das Team heraus, dass die Geschwindigkeits­fluktuationen nicht überall so geordnet sind. Innerhalb von riesigen Molekülwolken weisen sie zwischen einzelnen Wolken und den winzigen Wolkenkernen keine charak­teristische Skala auf. Diederik Kruijssen von der Universität Heidelberg erklärt dazu: „Die Dichte- und Geschwindigkeits­strukturen, die wir in riesigen Molekülwolken sehen, sind maßstabs­unabhängig. Die turbulenten Gas­strömungen, die diese Strukturen erzeugen, bilden eine chaotische Kaskade, die bei näherer Betrachtung immer kleinere Fluktuationen offenbart – ähnlich wie bei einem Romanesco-Brokkoli oder einer Schneeflocke. Dieses maßstabs­freie Verhalten findet zwischen zwei wohl­definierten, geordneten Extremen statt: dem großen Maßstab der gesamten Wolke und dem kleinen Maßstab der Wolkenkerne, die einzelne Sterne bilden. Wir erkennen nun, dass diese beiden Extreme bestimmte charak­teristische Größen besitzen, aber dazwischen herrscht Chaos.“

„Stellen Sie sich die riesigen Molekülwolken als einander gleich weit entferne Megastädte vor, die durch Autobahnen miteinander verbunden sind“, erläutert Henshaw. „Aus der Vogel­perspektive erscheint die Struktur dieser Städte mit den Autos und den Menschen, die sich durch sie hindurch­bewegen, chaotisch und ungeordnet. Wenn wir jedoch einzelne Straßen betrachten, sehen wir Menschen, die von weit her angereist sind und ihre einzelnen Bürogebäude in geordneter Weise betreten. Die Bürogebäude stellen die dichten und kalten Wolkenkerne aus Gas dar, aus denen Sterne und Planeten geboren werden.“

MPIA / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. D. Henshaw et al.: Ubiquitous velocity fluctuations throughout the molecular interstellar medium, Nat. Astro., online 6. Juli 2020; DOI: 10.1038/s41550-020-1126-z
• Planeten- und Sternentstehung, Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg