Stoff für neue Sterne

Die Erforschung von Sternentstehungsregionen hat mit einer grundlegenden Schwierigkeit zu kämpfen: In den viele Lichtjahre großen Molekülwolken herrschen zwar weiträumige magnetische Felder, welche die Dynamik der Gasströme innerhalb dieser Wolken entscheidend beeinflussen. Aber das Gas ist so dünn, und die Felder sind dementsprechend so schwach, dass sie sich kaum messen lassen. Zugleich ist es für die Astronomie enorm wichtig, diese Dynamik zu verstehen, denn daran hängen viele weitere Fragen zur Sternentstehung und zur Modellierung der Entwicklung ganzer Galaxien.

Das interstellare Medium in Galaxien besteht überwiegend aus Gas und Staub. Ein wichtiger Teil davon sind dichte und kühle Molekülwolken, die Ausgangsstoff für Sternentstehungsregionen sein können. Diese über Lichtjahre ausgedehnten Wolken bestehen hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff, enthalten aber auch andere Elemente und sehr kleine Staubpartikel.

Eine wichtige astrophysikalische Erkenntnis der letzten Jahre ist es, dass diese riesigen Molekülwolken von einem dünnen Netz aus Gas- und Staubwolken durchzogen sind, den sogenannten Filamenten. Neue Sternentstehungsregionen bilden sich vorzugsweise an den Schnittpunkten solcher Filamente, da hier genügend Gas zusammenströmt.

Rätselhafte Magnetfelder

Die Astronomen hofften, dass die europäische Raumsonde Planck mit ihren Mikrowellenteleskopen hilft, das Rätsel zu lösen, wie die viele Lichtjahre großen Molekülwolken sich zu Sternentstehungsregionen zusammenziehen. Die Planck-Sonde war von 2009 bis 2013 im Einsatz, bis sein Kühlmittel aufgebraucht war. Sie lieferte viele wichtige Aufnahmen, die die Astronomie vorangebracht haben – unter anderem von der Kosmischen Hintergrundstrahlung (bdw 9/2013, „Der Himmels-Code“) und von den schwachen Magnetfeldern in der dünnen interstellaren Materie. Diese Felder sind um etwa 10.000 Mal schwächer als das Erdmagnetfeld und nur mit besonderen Instrumenten zu messen.

„Planck hat uns die erste großräumige Karte der Magnetisierung in solchen Filamenten und ihrer Umgebung geliefert“, sagt die Astronomin Thushara Pillai. „Dabei zeigte sich, dass die Filamente nicht nur hochgradig magnetisiert sind, sondern dass sie auch in vorhersagbarer Weise an ihre Magnetfelder gekoppelt sind.“

Ist die Dichte gering, dann sind die Magnetfelder parallel zu den Filamenten orientiert. Bei hoher Dichte hingegen liegen die Magnetfelder senkrecht zu den Filamenten. Diese überraschende Entdeckung vergrößert das Rätsel um die Filamente aber noch, denn das interstellare Gas strömt nicht quer zu den Magnetfeldern. Gemäß der Lorentz-Kraft wird es senkrecht dazu abgelenkt. Wenn sich – wie es die Daten der Planck-Mission nahelegen – die Magnetfelder bei zunehmender Dichte „querstellen“, dann würde das die Bildung von Sternentstehungsregionen blockieren oder zumindest stark verlangsamen.

„Dann wäre zu erwarten, dass sich die einströmende Materie in flachen Strukturen ansammelt, entlang der Magnetlinien, die sich senkrecht zu den langgezogenen Filamenten anordnen“, bringt es Pillai auf den Punkt. Doch das entspricht nicht dem typischen Aussehen von Sternentstehungsregionen.

Wenn Astronomen versuchen, solche Prozesse mit Computersimulationen nachzuvollziehen, haben sie mit allerhand Schwierigkeiten zu kämpfen. Denn das Gas ist von Magnetfeldern durchzogen. Diese Felder und die Gaswolken selbst wechselwirken mit dem Sternwind und der Strahlung nahe gelegener Sterne. Das wiederum beeinflusst das Strömungsverhalten und die Form der Gasströmung – und sorgt für ein hochkomplexes Verhalten: Schon kleine Änderungen der beeinflussenden Parameter haben dann große Auswirkungen auf die gesamte Dynamik der Sternentstehung.

Wenn Astronomen also mit ihren neuen Simulationen versuchen, die Entwicklung ganzer Galaxien nachzuvollziehen, dann sind die vertrackten Gasströmungen in Sternentstehungsregionen ein echter Härtetest. Denn es ergeben sich völlig unpassende Zeitskalen für die Sternentstehung, falls die grundlegenden Gasströme nicht ziemlich realitätsgetreu modelliert werden können.

Scharfer Blick auf Magnetfelder

Zur Klärung dieser Fragen konnten die Forscher um Thushara Pillai die besonderen Fähigkeiten der fliegenden Sternwarte SOFIA (Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) nutzen. Dazu wählten sie eine sehr junge Sternentstehungsregion aus, den Sternhaufen Serpens Süd (Serpens South Cluster). Er befindet sich im Sternbild Schlange, rund 1400 Lichtjahre von der Erde entfernt, und enthält 50 junge Sterne, die relativ dicht beieinander stehen. Davon sind 35 noch Protosterne, die sich gerade erst in der Wasserstoff-Molekülwolke bilden. Serpens Süd ist der jüngste Sternhaufen in unserer näheren Umgebung. „Diese jungen Sterne hatten also wenig Zeit, die Bedingungen in den Filamenten zu beeinflussen, und wir konnten ein weitgehend ungestörtes System analysieren“, betont Pillai.

Der Sternhaufen ähnelt einem Rad: Filamente ziehen sich wie Speichen von der zentralen Nabe mit den jungen Sternen nach außen. „Eine solche Struktur weisen viele junge Sternhaufen auf, aber nicht alle“, sagt Pillai.

Während die Gasmassen und die Filamente sich gut mit herkömmlichen Teleskopen ablichten lassen, ist das bei den Magnetfeldern deutlich schwieriger. Hier kommt den Wissenschaftlern zugute, dass sich im Gas kleine Anteile von sehr feinen Staubpartikeln befinden. Diese richten sich entlang der Magnetfeldlinien aus und erzeugen so eine schwache Polarisation des ausgesandten Lichtes. Das wiederum lässt sich mithilfe von speziellen Instrumenten wie der Kamera HAWC+ (High-resolution Airborne Wideband Camera Plus) auf SOFIA aufzeichnen. Dadurch konnten die Forscher endlich einen Blick in die innere Struktur der Filamente werfen. „Unsere neuen Aufnahmen sind um den Faktor 20 bis 30 detailreicher als die Bilder von Planck“, freut sich Pillai.

Auf diesen Fotos zeichnen sich aufschlussreiche Strukturen ab: So liegen die Magnetfelder im zentralen Bereich des Sternhaufens nicht mehr quer zu den Filamenten, sondern parallel dazu. „Wir deuten das so, dass die Magnetfelder von der starken Gravitation im dichten inneren Bereich der Filamente umorientiert werden“, sagt Pillai.

Wenn hinreichend große magnetisierte Gasmassen durch die überwältigende Gravitationskraft in den Zentralbereich hineingezogen werden, dann zieht dieses Gas seine Magnetfelder mit sich, sodass diese sich parallel zu den Filamenten ausrichten. Auf diese Weise löst sich die Blockade der querstehenden Magnetfelder auf, und es entsteht eine Art Förderband, auf dem weiteres Gas in Richtung der Sternentstehungsregion strömen kann.

Computersimulationen können dieses Verhalten bislang noch nicht im Detail darstellen. Deshalb sind belastbare Beobachtungsdaten um so wichtiger. Um die Bildung von Sternentstehungsregionen zu verstehen, muss man vor allem wissen, in welchen Gebieten die Schwerkraft dominiert und in welchen die Magnetfelder.

Astronomen nutzen die letzten Flüge der Sternwarte SOFIA in diesem Sommer, um weitere Bilder von Sternentstehungsregionen mitsamt ihren Magnetfeldern zu erhalten. „Dazu wollen wir verschiedene Daten kombinieren – neben SOFIAs Magnetfeld-Polarimetrie auch Aufnahmen von anderen Teleskopen bis hin zu den neuen Sternkatalogen der Gaia-Satellitenmission“, sagt Pillai. Auf diese Weise sollen nicht nur der exakte Ort und die Ausdehnung vieler Filamente bestimmt werden. „In besonders günstigen Fällen können wir sogar die verschiedenen Komponenten des Magnetfelds auseinanderhalten und die Verteilung der Magnetfelder in allen drei Dimensionen bestimmen“, hofft Pillai.

Das wäre ein bedeutender Fortschritt gegenüber heutigen Aufnahmen und würde auch bei den Computersimulationen realistischere Modelle ermöglichen. Dann ließe sich die Wechselwirkung von dichtem Gas und Magnetfeldern erstmals im Detail in allen drei Raumdimensionen darstellen.

Den Astronomen läuft allerdings die Zeit davon. Aus Kostengründen hat die NASA den Betrieb von SOFIA gestoppt – und derzeit steht kein Teleskop bereit, das im mittleren bis fernen Infrarot vergleichbare Fähigkeiten aufweist.

Satellitenexperimente sind teuer und weniger flexibel. „Und Höhenballonexperimente haben sich in der Vergangenheit zwar als hervorragende Plattform erwiesen, um neue Technologien zu testen, allerdings nicht als vergleichbar leistungsfähige Teleskope“, erläutert Thushara Pillai. „Die Zukunft der Ferninfrarotastronomie ist deshalb im Augenblick ungewiss.“

Die Astronomen haben die verbleibende Zeit von SOFIA bestmöglich genutzt und müssen nun gewissenhaft die Daten analysieren. Ein zunehmender Teil der Arbeit wird mithilfe von Computersimulationen stattfinden. Den Praxistest und die Feinabstimmung mit der Realität werden aber erst neue Teleskope in der Hochatmosphäre oder im Weltall ermöglichen. Nur dann – hoffentlich im kommenden Jahrzehnt – werden Forscher einen noch schärferen Blick in die geheimnisvollen Geburtsstätten der Gestirne werfen können.