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Sternenmusik aus fernen Galaxien

Was Radiostrahlung uns über die Sternentstehung in Spiralgalaxien verrät

21. Februar 2017

Ein Forscherteam unter der Leitung von Fatemeh Tabatabaei vom Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC), mit Beteiligung von Astronomen von zwei Max-Planck-Instituten (MPIfR, Bonn und MPIA, Heidelberg), hat die Radiostrahlung einer großen Anzahl von 52 Galaxien jeweils bei mehreren Wellenlängen mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg gemessen. Diese Galaxien wurden aus der sogenannten KINGFISH-Stichprobe ausgewählt, die Infrarot-Beobachtungen von Galaxien mit dem Satellitenteleskop „Herschel“ umfasst. Aus den Radiobeobachtungen konnte eine verlässliche Methode abgeleitet werden, die Sternentstehungsrate in Galaxien aus Radiobeobachtungen allein zu bestimmen, ohne Resultate aus anderen Spektralbereichen hinzuziehen zu müssen.
<p class="Body"><em>Die hier beschriebenen Radiobeobachtungen basieren auf Galaxien aus der sogenannten KINGFISH-Stichprobe (“Key Insights on Nearby Galaxies: a Far-Infrared Survey with Herschel”). Die Zusammenstellung in Abb. 1 zeigt Infrarotbilder dieser Galaxien, die aus Beobachtungen mit den Satellitenteleskopen „Spitzer“ und „Herschel“ im Rahmen des KINGFISH-Programms erzeugt wurden. <br /></em></p> Bild vergrößern

Die hier beschriebenen Radiobeobachtungen basieren auf Galaxien aus der sogenannten KINGFISH-Stichprobe (“Key Insights on Nearby Galaxies: a Far-Infrared Survey with Herschel”). Die Zusammenstellung in Abb. 1 zeigt Infrarotbilder dieser Galaxien, die aus Beobachtungen mit den Satellitenteleskopen „Spitzer“ und „Herschel“ im Rahmen des KINGFISH-Programms erzeugt wurden.

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Fast alles Licht, das wir im Universum erblicken können, stammt von Sternen, die im Inneren von dichten Gaswolken im sogenannten interstellaren Medium von Galaxien geboren wurden. Die Häufigkeit ihrer Entstehung wird als Sternentstehungsrate bezeichnet. Sie hängt ab vom Gasvorrat in der Galaxie selbst sowie von physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Temperatur und Stärke des Magnetfelds. Die Sternentstehungsrate stellt dabei eine Schlüsselgröße dar zum besseren Verständnis, wie Sternentstehung funktioniert.

Zur Bestimmung von Sternentstehungsraten kamen bis jetzt eine Reihe von Beobachtungen in ganz unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zum Zuge, jeweils mit individuellen Vor- und Nachteilen. Licht im sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich kann zu einem erheblichen Teil durch interstellaren Staub absorbiert werden. Das führte zum Einsatz von hybriden Bestimmungsmethoden, die zwei oder mehr unterschiedliche Wellenlängenbereiche miteinander verknüpfen, darunter der Infrarotbereich, mit dessen Hilfe der Einfluss der Staubabsorption korrigiert werden kann. Dabei können aber wiederum andere Emissionsprozesse hineinspielen, die nicht mit der Entstehung von massereichen Sternen verknüpft sind und zu einer Konfusion der Ergebnisse führen können.

Ein internationales Forscherteam hat jetzt eine detaillierte Analyse der spektralen Energieverteilung  einer systematischen Stichprobe von Galaxien durchgeführt. Es handelt sich dabei um den überwiegenden Teil der in Abbildung 1 dargestellten Galaxien der KINGFISH-Studie. Die Astronomen konnten zum ersten Mal die abgestrahlte Energie dieser Galaxien im Radiofrequenzbereich bestimmen, aus der unmittelbar die Sternentstehungsraten folgen. „Wir haben dafür die gemessene Radiostrahlung in einem mittleren Frequenzbereich zwischen 1 und 10 GHz verwendet, da in früheren Untersuchungen eine eindeutige Korrelation zwischen Radio- und Infrarotstrahlung entdeckt wurde“, sagt Fatemeh Tabatabaei vom IAC (La Laguna, Teneriffa), die Erstautorin der vorliegenden Veröffentlichung. Es wurden detaillierte Untersuchungen durchgeführt, um die Energiequellen und die Prozesse in diesen Galaxien zu verstehen.

“Wir haben uns deshalb entschieden, systematische Radiobeobachtungen der Galaxien der KINGFISH-Stichprobe bei einer ganzen Reihe von Wellenlängen durchzuführen”, erinnert sich Eva Schinnerer vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA). „Als Einzelteleskop mit hoher Empfindlichkeit ist unser 100-m-Radioteleskop in Effelsberg das ideale Instrument, um verlässliche Radioflusswerte auch für schwache ausgedehnte Objekte wie diese Galaxien bestimmen zu können“, erklärt Marita Krause vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), die für die Radiomessungen der Galaxien mit dem 100-m-Teleskop verantwortlich war. „Wir haben es das KINGFISHER-Projekt genannt, wobei ‚KINGFISH galaxies Emitting in Radio‘ als Erklärung für das Acronym steht.“ Abbildung 2 zeigt die Radiostrahlung von einer der beobachteten Galaxien aus der Stichprobe (NGC 4725).

Die Ergebnisse des Projekts werden heute in der Fachzeitschrift “The Astrophysical Journal” veröffentlicht. Sie zeigen, dass die Radiostrahlung im beobachteten Wellenlängenbereich aus mehreren Gründen eine ideale Kenngröße zur Berechnung von Sternentstehungsraten der untersuchten Galaxien darstellt. Erstens findet keine Abschwächung der Strahlung durch Absorption im dazwischenliegenden interstellaren Staub statt. Zweitens wird Radiostrahlung bei massereichen Sternen in mehreren Phasen ihrer Entstehung abgestrahlt, von jungen stellaren Objekten über HII-Regionen (Gebiete mit ionisiertem Gas) bis hin zu Supernova-Überresten. Und schließlich ist es auch nicht notwendig, die gefundene Messgröße mit Ergebnissen aus anderen Wellenlängenbereichen zu korrigieren.  Aus all diesen Gründen stellen Messungen im untersuchten Radiowellenlängenbereich einen eindeutigeren Weg zur Bestimmung der Sternentstehungsrate von Galaxien dar als viele der bislang benutzten Methoden.

“Wir können jetzt daran gehen, mit Hilfe von Messungen am Radioteleskop Effelsberg diese Methode auf eine ganze Reihe weiterer Galaxien anzuwenden“, schließt  Rainer Beck vom MPIfR, ebenfalls Ko-Autor der vorliegenden Untersuchung.

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<p><em>Spiralgalaxie NGC 4725. Die Konturlinien zeigen Radiokontinuumsstrahlung bei einer Frequenz von 8,5 GHz, gemessen mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg, überlagert auf eine optische Aufnahme der Galaxie.</em></p>
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Spiralgalaxie NGC 4725. Die Konturlinien zeigen Radiokontinuumsstrahlung bei einer Frequenz von 8,5 GHz, gemessen mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg, überlagert auf eine optische Aufnahme der Galaxie.



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Das Autorenteam umfasst F.S. Tabatabaei, E. Schinnerer, M. Krause, G. Dumas, S. Meidt, A. Damas-Segovia, R. Beck, E.J. Murphy, D.D. Mulcahy, B. Groves, A. Bolatto, D. Dale, M. Galametz, K. Sandstrom, M. Boquien, D. Calzetti, R.C. Kennicutt, L.K. Hunt, I. de Looze und E.W. Pellegrini. Vom MPIfR beteiligte Autoren sind Marita Krause, Ancor Damas-Segovia und Rainer Beck.

Fatemeh Tabatabaei hat die Erforschung der Radio- und Ferninfrarotstrahlung von Galaxien im Verlauf ihrer Promotion am MPIfR begonnen und später als Postdoc am MPIfR Bonn und am MPIA Heidelberg fortgesetzt. Zur Zeit ist sie als Wissenschaftlerin am Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC), La Laguna, tätig.

Das KINGFISH-Projekt (“Key Insights on Nearby Galaxies: a Far-Infrared Survey with Herschel”) ist eine systematische Studie von insgesamt 61 Galaxien im nahen Universum. KINGFISHER (“KINGFISH galaxies Emitting in Radio”) stellt eine Untergruppe dieser Galaxien dar, die nördlich von -21 Grad Deklination liegen und somit von Effelsberg aus beobachtbar sind. Für 17 dieser Galaxien existierten bereits im Vorfeld Radiobeobachtungen in mehreren Frequenzen mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg (vgl. die Website „Atlas of Galaxies“). 35 weitere Galaxien wurden mit dem 100-m-Teleskop neu beobachtet. Beide Datensätze mit insgesamt 52 Galaxien wurden im Rahmen der vorliegenden Studie ausgewertet.

 

 
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