"Stellar-Vaterschaftstests" gleichen verwaiste Sterne ihren Ursprüngen in der Milchstraße ab.

10. Januar 2024

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von Amy White, Lehigh University

In der chaotischen Umgebung offener Sternhaufen können starke gravitative Wechselwirkungen zwischen Körpern einzelne Sterne weit außerhalb des Haufens und sogar außerhalb unserer Galaxie, der Milchstraße, katapultieren. Jetzt haben Forscher erstmals mehrere dieser Sterne, die sich außerhalb der Scheibe der Galaxie befinden, mithilfe neuer Daten der europäischen Raumfahrtagentur ESA und ihrer Gaia-Mission den Haufen ihrer Herkunft zugeordnet.

Forscher der Lehigh University stellten die Ergebnisse heute in einer Pressekonferenz auf der 243. Tagung der American Astronomical Society (AAS) in New Orleans vor.

"Indem wir sie in der Zeit zurückverfolgen, um herauszufinden, woher sie stammen, konnten wir 15 von ihnen den Sternhaufen zuordnen, in denen sie geboren wurden", sagte M. Virginia (Ginny) McSwain, außerordentliche Professorin für Physik an der Lehigh University. "Wenn wir mit hoher Sicherheit sagen können, woher einige dieser Sterne stammen, werden wir mehr über die Geschichte der Sternhaufen in der Milchstraße erfahren."

Die meisten Sterne außerhalb der dünnen Scheibe der Milchstraße, zu der die Spiralarme mit größerem Durchmesser in der Mitte gehören, sind mehr als acht Milliarden Jahre alt und bildeten sich früh in der Geschichte der Galaxie. Angesichts ihres sehr hohen Alters ist es nicht überraschend, dass sie weit von ihren Geburtsorten entfernt sind.

Da sich fast alle Sternentstehung in der dünnen Scheibe unserer Galaxie abspielt, sind heiße B-Sterne außerhalb dieser Region selten zu finden. Doch eine geringe Anzahl dieser jungen Sterne - geschätzt auf 10 bis 100 Millionen Jahre - befindet sich in großen Höhen über und unterhalb der Scheibe und wurde wahrscheinlich vor einigen Millionen Jahren von ihren Geburtssternhaufen ausgeschleudert.

"Heiße Sterne verlassen die Scheibe nicht oft, daher fallen sie deutlich auf", sagte Brandon Schweers, ein Student der Lehigh University, der einen bedeutenden Beitrag zu dem Projekt leistete. "Die 'Eltern'-Haufen haben wahrscheinlich die meisten dieser B-Sterne ausgestoßen, als bei engen Wechselwirkungen zwischen drei oder vier Körpern ein Mitglied des Haufens herauskatapultiert wurde und sie sich von der Ebene der Milchstraße entfernt haben."

Einer der untersuchten Sterne wurde mit besonders hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, daher könnte er während einer Supernova in einem engen Doppelsternsystem ausgeschleudert worden sein, sagte Schweers, ein Student der Astrophysik. Sterne können sogar ausgestoßen und dann zurückgeschleudert werden.

Obwohl diese "verwaisten" Sterne seit zwei Jahrzehnten bekannt sind, waren sie zuvor noch nie ihrem Ursprungsort zugeordnet worden, da keine hochwertigen Daten verfügbar waren, um sie bis zu ihren Anfängen zurückzuverfolgen. Mit den Daten der Gaia-Mission waren die Forscher jedoch in der Lage, die Bewegungen der Sterne mit einer bisher nicht dagewesenen Präzision zu entschlüsseln.

Bewegungsspuren zur Rückverfolgung in der Zeit

Die Gaia-Mission, die 2013 gestartet wurde, zielt darauf ab, mehr als eine Milliarde Sterne in der Milchstraße zu vermessen und eine präzise dreidimensionale Karte der Galaxie zu erstellen. Die Daten enthalten beispiellose Positionsbestimmungen für Sterne und Radialgeschwindigkeitsmessungen für die hellsten 150 Millionen Objekte.

Ausgehend von den 2022 veröffentlichten Gaia-Daten verfolgten die Forscher der Lehigh University die kinematischen Bewegungsspuren von 95 hochgelegenen B-Sternen und etwa 1.400 bekannten galaktischen offenen Sternhaufen, um Momente in der Vergangenheit zu identifizieren, in denen sich ihre Bahnen gekreuzt haben könnten und möglicherweise eine Ausstoßung stattfand.

"Mit ihren 3D-Positionen und 3D-Geschwindigkeiten im Raum konnten wir die Bahnen jedes Haufens und hochgelegenen Sterns in den letzten 30 Millionen Jahren berechnen", sagte McSwain. Sie nutzten das Open-Source-Paket Python galpy zur Analyse galaktischer Dynamik, um das Gravitationsfeld der Galaxie an jedem Punkt zu modellieren.

Nachdem sie potenzielle Übereinstimmungen identifiziert hatten, verglichen sie die Farbe und Helligkeit jedes ausgestoßenen Sterns mit dem Hertzsprung-Russell-Diagramm (H-R-Diagramm), einem Diagramm für Farbhelligkeit, für jeden offenen Haufen. Ein offener Haufen besteht in der Regel aus Tausenden von Sternen gleichen Alters und gleicher Zusammensetzung in derselben Entfernung.

"Die Form des H-R-Diagramms hängt hauptsächlich vom Alter des Haufens ab, sodass wir feststellen können, ob der ausgestoßene Stern in einem ähnlichen Alter wie seine möglichen Geschwister im Haufen ist", sagte McSwain. Der H-R-Test verengte die Liste der möglichen Übereinstimmungen weiter ein.

Schließlich analysierten sie die Dichteverteilungen der einzelnen möglichen Haufen. Haufen mit höherer Dichte haben mehr starke gravitative Wechselwirkungen zwischen den Mitgliedern, die sie am meisten für die Ausstoßung von Sternen prädestinieren.

Combining these tools, the researchers confirmed positive paternity matches for 15 orphaned stars. That galactic genealogical tracing was what gave Schweers the idea for the presentation's title.

'When I reached the stage of comparing the color and brightness for the potential matches and discarding those that showed a poor correlation in the H-R diagrams, I felt as though I was comparing the 'DNA' of the orphaned stars and their potential siblings,' Schweers said, reminding him of 'The Maury Povich Show.'

'I think everyone has heard the saying, 'You are not the father' that came from that show. For many of these clusters, I was essentially telling them they are not the parent of these orphaned stars, so I came up with the name 'Stellar Paternity Tests,'' he said.

Based on their trajectory calculations, the researchers estimate the ejections took place about 5 to 30 million years ago, 'flinging abandoned stars across the Milky Way at speeds of 30-220 kilometers/second (67,000-490,000 miles/hour) to their present locations,' they wrote. 'Our results provide a measure of the ejection age for each orphaned star, providing new insight into the relative importance of dynamical vs. supernovae ejection in young open clusters.'

While they were able to match a number of the far-flung stars, some couldn't be traced back to the Milky Way's disk very plausibly, which may provide evidence for other unusual scenarios, they added. These might include rare star formation in molecular clouds high outside the disk, or they could be relics of past dwarf galaxies that merged with the Milky Way in the past.

Undergraduate astrophysics student Christopher J. Aviles Bramer, who graduated in 2022, contributed to the research project.

Provided by Lehigh University