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Die Milchstraßenscheibe entstand in zwei Entwicklungsphasen
Die Milchstraße hat ihre heutige flache Sternenscheibe offenbar in zwei sehr unterschiedlichen Phasen entwickelt. Altersbestimmungen von Sternpopulationen zeigen, dass ihre vertikale Ausdehnung zunächst innerhalb weniger Milliarden Jahre stark zurückging, bevor sich die Entwicklung vor rund 10,8 Milliarden Jahren verlangsamte. Dies spricht dafür, dass die ältesten Scheibensterne bereits in einer dicken, turbulenten Gasschicht entstanden.
La Laguna (Spanien). Die Milchstraße besitzt neben ihrer vergleichsweise dünnen Sternenscheibe auch eine dickere Komponente mit zahlreichen alten Sternen. Beide überlagern sich räumlich und unterscheiden sich darin, wie weit die Sterne im Mittel von der galaktischen Mittelebene entfernt sind. Wie diese ungleichen Verteilungen entstanden, war bisher schwer zu klären.
Eine Erklärung geht davon aus, dass Sterne zunächst nahe der Mittelebene geboren werden und erst durch die Schwerkraft von Gaswolken oder Spiralarmen auf stärker geneigte Bahnen geraten. Nach einer anderen Vorstellung bildeten sich die ältesten Sterne schon in einer ausgedehnten, turbulenten Gasschicht, die sich erst allmählich beruhigte und abflachte. Frühere Beobachtungen konnten kaum zwischen beiden Möglichkeiten unterscheiden.
Forscher des Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) um David Mirabal haben nun untersucht, wie sich die vertikale Verteilung unterschiedlich alter Sternpopulationen über die Zeit veränderte. Dazu werteten sie Messdaten der europäischen Raumsonde Gaia aus, die unter anderem Positionen, Helligkeiten und Bewegungen von Sternen erfasst. Die untersuchten Sterne stammen aus der Sonnenumgebung, nicht aus der gesamten Milchstraße.
Im Forschungsprojekt ChronoGal verglichen die Wissenschaftler beobachtete Farb-Helligkeits-Diagramme mit Modellen zur Sternentwicklung. So konnten sie Gruppen ähnlichen Alters und ähnlicher chemischer Zusammensetzung unterscheiden. Die Altersauflösung liegt auch bei den ältesten Populationen bei etwa 500 Millionen Jahren und ist damit besser als fünf Prozent. Anschließend ermittelten die Forscher die räumliche Verteilung dieser Gruppen ober- und unterhalb der galaktischen Ebene.
Die Auswertung zeigt einen deutlichen Knick in der Entwicklung vor rund 10,85 Milliarden Jahren. Davor sank die charakteristische vertikale Skalenhöhe der Sternpopulationen innerhalb von etwa zwei Milliarden Jahren von mehr als 1,26 auf ungefähr 0,5 Kiloparsec. Das entspricht rund 4.100 beziehungsweise 1.600 Lichtjahren. Die Skalenhöhe beschreibt dabei die Verteilung der Sterne und nicht eine feste äußere Grenze der Scheibe.
Bei jüngeren Populationen verändert sich die Skalenhöhe dagegen deutlich langsamer. Für die jüngsten Sterne liegt sie laut der Analyse nur noch bei ungefähr 0,1 Kiloparsec, also in einer Größenordnung von gut 300 Lichtjahren. Diese sehr unterschiedlichen Änderungsraten passen zu zwei Phasen der galaktischen Entwicklung.
„Dieses Ergebnis löst ein klassisches Problem der Astrophysik“, erklärt David Mirabal.
Der rasche Rückgang in der frühen Phase lässt sich kaum allein damit erklären, dass bereits geborene Sterne über lange Zeit aus einer anfangs dünnen Scheibe herausgestreut wurden. Vielmehr deuten die Daten darauf hin, dass die erste Scheibengeneration aus stark aufgewühltem Gas hervorging. Als sich dieses Gas beruhigte, entstanden nachfolgende Generationen näher an der galaktischen Mittelebene.
Damit stützen die Beobachtungen das sogenannte Upside-down-Szenario, in dem die dicke Sternenscheibe früher entsteht als die dünne. In der Frühzeit könnten beispielsweise häufige Zusammenstöße mit kleineren Galaxien oder die starke Sternbildung zur Unruhe des Gases beigetragen haben. Welcher dieser Prozesse entscheidend war, lässt sich aus den Daten noch nicht ableiten.