Interstellares Gas im 3D-Blick

Die Beobachtung von Spektral­linien des Kohlen­monoxid-Moleküls ermöglicht die Messung der Verteilung von kaltem und dichtem molekularem Gas im inter­stellaren Medium, in dem neue Sterne gebildet werden. Darüber hinaus kann die Radial­geschwindigkeit über den Dopplereffekt bestimmt werden. Dadurch kann das molekulare Gas in Verbindung zur Rotation der Spiralarme in unserer Milchstraße gebracht werden; das ermöglicht einen drei­dimensionalen Blick auf ihre Verteilung. Insgesamt zeigt sich eine Vielzahl von Strukturen wie Filamente und Aushöhlungen, die von unterschiedlichen physikalischen Effekten bei der Gestaltung des interstellaren Mediums herrühren. Ein internationales Forscherteam von insgesamt fünfzig Astronomen hat nun mit dem APEX-Teleskop in den chilenischen Anden ein langjähriges Beobachtungs­projekt durchgeführt, das einen Bereich von 84 Quadratgrad am Himmel umfasst.

Beobachtet wurde der südliche Bereich der inneren Milchstraße in einem Intervall von -60 bis +18 Grad in galaktischer Länge mit einer Winkel­auflösung von dreißig Bogensekunden. Mit einer Geschwindigkeits­auflösung von 0,25 Kilometer pro Sekunde liefert die Analyse Informationen über die Morphologie, Entfernung und Geschwindigkeit für alle galaktischen Molekülwolken in einem Gesamtgebiet von etwa zwei Drittel der inneren Scheibe unserer Milchstraße. Die Kartierung trägt die Bezeichnung SEDIGISM – Structure, Excitation and Dynamics of the Inner Galactic Interstellar Medium – und beinhaltet Beobachtungs­daten aus den Jahren 2013 bis 2017, die nun& den Astronomen weltweit zur Verfügung gestellt werden.

„Mit der Veröffentlichung dieser bisher detaillier­testen Karte von kalten Molekülwolken in unserer Milchstraße trägt ein langjährige Beobachtungs­projekt nun Früchte“, sagt Frederic Schuller vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie, der Projektleiter der SEDIGISM-Kartierung. Das Team habe einen Meilenstein für die Erforschung des molekularen Gases in der Milchstraße geliefert, der als Ergebnis von APEX noch lange nachwirken werde. „Auf der Grundlage dieser Daten haben wir einen Katalog von über 10.000 Gaswolken in der Milchstraße zusammengestellt, der eine deutlich strukturierte Verteilung aufzeigt. Die abgeleiteten physi­kalischen Eigen­schaften erscheinen allerdings ziemlich gleichförmig, mit nur schwachen Hinweisen auf die Abhängig­keit einiger der Wolken­eigenschaften von ihrer Umgebung“, erklärt Ana Duarte-Cabral von der Cardiff University. James Urquhart von der University of Kent ergänzt: „In Verbindung mit ATLASGAL, einer früheren Untersuchung von kaltem Staub in unserer Milchstraße, können wir nun den Anteil der Wolken mit hoher Gasdichte abschätzen: nur zehn Prozent davon sind Orte laufender Sternentstehung.“

Die Beobachtungen mit APEX richteten sich auf die seltenen Isotope  ¹³CO and C¹⁸O des Kohlen­monoxid-Moleküls, die wesentlich genauere Abschätzungen der Masse der untersuchten Wolken ermöglichen, aber ein hoch­empfindliches Teleskop erfordern. Das 12-Meter-APEX-Teleskop mit seiner hochgenauen Oberfläche und einem der weltweit besten Standorte für Sub­millimeter-Astronomie war ein Schlüssel zum Erfolg des Projekts. In 5100 Meter Höhe über dem Meeresspiegel gelegen, auf der trockenen Chanjnantor-Ebene in der chilenischen Atacama­wüste, ergibt sich ein extrem geringer Wasserdampf­gehalt und damit exzellente Transparenz der Atmosphäre, die für diese Beobachtungen erforderlich ist.

Molekülwolken enthalten das Rohmaterial, aus dem neue Sterne entstehen. Die Kartierung dieser Wolken ist daher erforderlich, um wichtige Parameter wie beispiels­weise die Effizienz der Stern­entstehung in unserer Milchstraße zu bestimmen. Die Morphologie und die physikalischen Bedingungen innerhalb der Wolken geben die Rahmen­bedingungen, die für Theorien der Sternentstehung berück­sichtigt werden müssen. Es ist daher unabdingbar, die einzelnen Wolken räumlich aufzulösen und voneinander zu unter­scheiden. Das wird durch die hohe Winkel­auflösung der APEX-Kartierung ermöglicht.

Die neuen Daten sind nicht nur für sich gesehen interessant, sondern ergänzen auch eine Reihe hervor­ragender Kartierungen der galaktischen Ebene, die im vergangenen Jahrzehnt in mittel- bis ferninfraroten Wellenlängen­bereich erstellt wurden. Das geschah mit Weltraum­teleskopen wie Spitzer und Herschel und bei größeren Wellenlängen auch mit APEX selbst. In allen diesen Projekten fehlte jedoch die Geschwindigkeits­information. Diese Beobachtungsdaten können nun in Verbindung mit den neuen Kohlen­monoxid-Liniendaten erneut analysiert werden und so eine wesentlich stärkere Rolle spielen bei der detaillierten Untersuchung von Stern­entstehung und Sternhaufen in der Milchstraße, und letztendlich von Struktur und Dynamik unserer Galaxis selbst. „Unsere Kartierung bedeutet einen entscheidenden Schritt vorwärts, um die Struktur der Galaxie zu verstehen, in der wir leben“, schließt Dario Colombo, der zur Zeit mit Hilfe dieser Daten an einer Analyse zum Einfluss von Spiralarmen auf die Eigen­schaften von Molekülwolken arbeitet.

MPIA / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  F. Schuller et al.: The SEDIGISM survey: first data release and overview of the Galactic structure, MNRAS staa2369 (2020); DOI: 10.1093/mnras/staa2369
• A. Duarte-Cabral et al.: The SEDIGISM survey: Molecular clouds in the inner Galaxy, MNRAS staa2480 (2020); DOI: 10.1093/mnras/staa2480
• J. S. Urquhart et al.: SEDIGISM-ATLASGAL: Dense Gas Fraction and Star Formation Efficiency Across the Galactic Disk, MNRAS staa2512 (2020); DOI: 10.1093/mnras/staa2512
• Atacama Pathfinder Experiment APEX, ESO, San Pedro de Atacama, Chile
• SEDIGISM Data Server, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
• Millimeter- und Submillimeter-Astronomie, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn