Simulierte Sternbildung

Sterne werden in dichten Wolken aus mole­kularem Wasser­stoffgas geboren, das den inter­stellaren Raum der meisten Galaxien durchdringt. In den letzten Jahren hat sich das physikalische Verständnis dieses komplexen Prozesses erheblich verbessert. Was allerdings letztendlich der Auslöser für die Sternbildung in den Galaxien ist, bleibt dennoch eine offene Frage. Im Prinzip beeinflussen zwei Hauptfaktoren die Entstehung von Sternen: die Menge des in den Galaxien verfügbaren molekularen Gases und die Geschwindigkeit, mit der vorhandenes inter­stellares Gas in Sterne umgewandelt wird. Eine genaue Bestimmung dieser Hauptfaktoren, das Ziel zahlreicher Beobachtungen, ist daher von enormer Bedeutung. Allerdings stellt die Analyse dieser Beobach­tungen einige Heraus­forderungen und gegenwärtige Studien weisen wider­sprüchliche Ergebnisse auf. Das liegt auch daran, dass sich Gasmassen in vielen Galaxien angesichts der derzeitigen Nachweis­grenzen nicht zuverlässig messen lassen.

In einer Studie des Instituts für Computer­gestützte Wissenschaften der Universität Zürich wurde nun ein neuer Ansatz gewählt: Die statistische Methode, die auf der Bayes'schen Model­lierung basiert, kann Galaxien mit nicht erfassten Mengen an mole­kularem oder atomarem Wasser­stoff korrekt und ohne Verzerrung der Daten in die Analyse einbeziehen. Das Ergebnis zeigt, dass molekulares und atomares Gas in typischen Galaxien innerhalb von ein beziehungs­weise zehn ;Milliarden Jahren für die Stern­entstehung aufgebraucht wird. Bei extrem aktiven Galaxien – den Starburst-Galaxien – werden dagegen viel kürzere Zeitskalen festgestellt.

„Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Entstehung von Sternen tatsächlich direkt von der insgesamt vorhandenen Gasmasse abhängt. Stern­geburten werden also von der Menge an Gas bestimmt, welche aus verschiedenen kosmischen Entfernungen in die Galaxie eintritt oder sie verlässt“, sagt Robert Feldmann vom Zentrum für Theo­retische Astrophysik und Kosmologie der Universität Zürich. Die um ein Vielfaches höhere Aktivität in Starbursts dagegen scheint einen anderen physikalischen Ursprung wie etwa inter­galaktische Wechsel­wirkungen oder Insta­bilitäten in galaktischen Scheiben, zu haben.

Die vorliegende Analyse basiert auf Beobachtungs­daten von nahen Galaxien. Der Gasgehalt in weit entfernten Galaxien quer durch die kosmische Geschichte könnte mit dem Atacama-Large-Milli­meter/Sub­millimeter-Array, dem Square-Kilo­meter-Array und anderen Obser­vatorien untersucht werden. Daher ist es entscheidend, weitere statistische und datenwissen­schaftliche Methoden zu entwickeln, um die physika­lischen Prozesse in entfernten Galaxien exakt abbilden zu können. „Nur so werden die Geheimnisse der Entstehung von Sternen vollständig aufgedeckt“, sagt Feldmann.

U. Zürich / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Feldmann: The link between star formation and gas in nearby galaxies, Commun. Phys. 3, 226 (2020); DOI: 10.1038/s42005-020-00493-0
• Zentrum für Theoretische Astrophysik und Kosmologie (R. Feldmann), Universität Zürich