Sternhaufen in der Milchstrasse

Sterne kommen nicht zur Ruhe

Mit dem Weltraumteleskop Hubble haben Astronomen die Sternbewegungen in einem der massereichsten jungen Sternhaufen der Milchstraße präzise vermessen. Dazu verglichen die Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg und der Universität zu Köln Beobachtungen, die zehn Jahre auseinanderliegen. Das unerwartete Ergebnis: Die Mitglieder des Haufens haben keinen stabilen Gleichgewichtszustand erreicht und sind noch immer nicht zur Ruhe gekommen.

Offene Sternhaufen, wie die berühmten Plejaden, bleiben nicht ewig in Form: Im Laufe von Dutzenden von Millionen Jahren laufen ihre Sterne auseinander. Bei sehr massereichen und kompakten Haufen ist das anders: Langfristig können sich aus ihnen stabile Kugelsternhaufen entwickeln, deren dicht gepackte Sterne über Milliarden von Jahren hinweg zusammenbleiben.

Mit mehr als der 10.000-fachen Sonnenmasse, konzentriert in einem Volumen von nur drei Lichtjahren Durchmesser, zählt der junge Sternhaufen im Nebel NGC 3603 zu den kompaktesten Sternhaufen in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. (In unserer direkten kosmischen Nachbarschaft hingegen findet sich im gleichen Volumen mit der Sonne nur ein einziger Stern.) Wird sich der dichte offene Sternhaufen also eines Tages zu einem Kugelsternhaufen entwickeln?

Dieser Frage ist eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Wolfgang Brandner vom Max-Planck-Institut für Astronomie nachgegangen. Die Forscher verfolgten dazu die Bewegung von Hunderten Haufensternen. Solche Untersuchungen können zeigen, ob der Haufen auseinanderdriftet, oder ob er sich anschickt, zur Ruhe - sprich: zu einem langfristig stabilen Gleichgewichtszustand - zu kommen. Außerdem erlauben es die Messungen, die Haufenmitglieder von solchen Sternen zu unterscheiden, die nur zufällig von der Erde aus gesehen in derselben Blickrichtung stehen.

Die Beobachtungen sind schwierig. Angenommen, ein Stern bewege sich von der Erde aus gesehen mit einer Geschwindigkeit von einigen Kilometern pro Sekunde seitwärts, dann würde sich aus einer Entfernung von 20.000 Lichtjahren betrachtet - dem Abstand von NGC 3603 zur Erde - dessen Position am Nachthimmel nur um einige Milliardstel eines Winkelgrads pro Jahr verändern. Auch mit modernsten Instrumenten und Auswertungsmethoden bedeutet der Nachweis solch winziger Verschiebungen eine große Herausforderung.

Brandner und seine Kollegen beobachteten den Sternhaufen im Abstand von zehn Jahren mit ein und derselben Kamera des Weltraumteleskops Hubble. Außerdem berücksichtigten sie in ihren aufwendigen Auswertungen eine Vielzahl von Störquellen und erreichten auf diese Weise die notwendige Genauigkeit. Insgesamt nahmen die Astronomen 800 Sterne ins Visier; rund 50 davon stellten sich als Vordergrundsterne heraus, die nicht zu dem betrachteten Haufen gehörten. Für 234 der übrigen mehr als 700 Sterne - eine im Hinblick auf Masse und Oberflächentemperatur recht vielfältige Auswahl - gelangen den Astronomen hinreichend genaue Geschwindigkeitsmessungen.

Boyke Rochau vom Heidelberger Max-Planck-Institut, der Erstautor des Fachartikels, hat sich im Rahmen seiner Doktorarbeit um die Auswertung der Beobachtungen gekümmert. "Die Messungen sind bis auf 27 Millionstel einer Bogensekunde pro Jahr genau", sagt Rochau. "Stellen Sie sich einen Beobachter in Bremen vor, der aus der Ferne ein Objekt in Wien betrachtet. Bewegt sich dieses Objekt um die Breite eines menschlichen Haares zur Seite, dann ändert sich seine scheinbare Position um exakt diesen Betrag."

Die Verteilung der Sterngeschwindigkeiten überraschte die Forscher. Denn nach weithin akzeptierten Modellen sollte die Geschwindigkeit der Sterne in Haufen wie demjenigen in NGC 3603 mit ihrer Masse zusammenhängen. Das heißt: Im Mittel sollten sich Sterne mit geringerer Masse schneller, solche mit größerer Masse langsamer bewegen. Zwar schwanken die Massen der vermessenen Haufensterne zwischen zwei und neun Sonnenmassen. Doch ihre mittlere Geschwindigkeit hängt gar nicht von der Masse ab, sondern beträgt durchweg rund 4,5 Kilometer pro Sekunde.

Offenbar hat sich in diesem Sternhaufen noch kein Gleichgewicht eingestellt. Stattdessen dürften die Sterngeschwindigkeiten nach wie vor maßgeblich von den Bedingungen geprägt sein, die bei der Entstehung des Haufens vor rund einer Million Jahren herrschten. Die spannende Frage, ob der massereiche junge Sternhaufen in NGC 3603 zu einem Kugelsternhaufen werden wird, bleibt offen. Den neuen Ergebnissen nach hängt die Antwort davon ab, welche Geschwindigkeit die Haufensterne haben, deren Massen besonders klein sind. Diese Sterne sind allerdings zu leuchtschwach, als dass sich ihr Tempo mit dem Hubble-Weltraumteleskops genau genug messen ließen.

"Um herauszufinden, ob die Sterne dieses Haufens mit der Zeit auseinanderlaufen werden oder nicht, sind wir auf die nächste Generation von Teleskopen angewiesen wie das James Webb Space Telescope oder das European Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte", erklärt Wolfgang Brandner.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft